DE4121035C2 - Hochfrequenzröhre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 wie sie aus AEÜ, Bd. 33, Heft 12 (1979), Seite 465 bis 473 bekannt ist. Hochfrequenz­ röhren dieser Art sind z. B. zur Verstärkung von Hochfre­ quenzwellen z. B. als Wanderfeldröhren, Klystrons und der­ gleichen bekannt. Der Strahlwirkungsgrad liegt bei solchen Röhren im allgemeinen zwischen 5% und 50%. Die im Elek­ tronenstrahl verbleibende Leistung verteilt sich auf Strahlelektronen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Phasenlage relativ zur Hochfrequenzwelle. Die Strahlelek­ tronen werden nach Verlassen der zur Verstärkung genutzten Wechselwirkungsstrecke in einem Elektronenauffänger aufge­ fangen. In einem solchen, im allgemeinen mehrere auf un­ terschiedlichen Potentialen liegende Kollektorelektroden aufweisenden Elektronenauffänger (Kollektor) werden abge­ stufte Bremsfelder erzeugt, durch die die Elektronen ent­ sprechend ihrer Geschwindigkeit abgebremst werden und da­ mit ein Teil der verbleibenden Strahlleistung zurückgenom­ men wird. Darüberhinaus tritt in dem Kollektor Verlustlei­ stung in Form von Wärme auf, die auch den Gesamtwirkungs­ grad der Röhre wesentlich bestimmt. Eine Verringerung der Verlustleistung wird bereits durch die erwähnte, mit meh­ reren Elektroden versehenen mehrstufigen Kollektoren er­ reicht. Theoretisch könnte die Kollektorverlustleistung durch eine immer größere Anzahl von auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Kollektorelektroden auf Null redu­ ziert werden, wenn für jedes Strahlelektron eine Elektrode mit einem genau seiner Geschwindigkeit entsprechenden Ge­ genpotential vorhanden wäre und dieses Elektron dort senk­ recht mit der Geschwindigkeit Null landen würde.

In der Praxis sind dieser Möglichkeit jedoch wegen der zu­ nehmenden Komplexität Grenzen gesetzt, da auch die Verlu­ ste auf der Netzgeräteseite mit zunehmender Anzahl von Kollektorelektroden zunehmen. Theoretisch kann auch der Gesamtwirkungsgrad der Röhre durch Erhöhung des Strahl­ wirkungsgrades verbessert werden. Da sich dabei jedoch auch das Geschwindigkeitsspektrum der Elektronen im Strahl vergrößert, würden die Kollektorverluste Pv bei gegebener Kollektorstufenzahl ansteigen, wodurch der Gesamt­ wirkungsgrad wieder beeinträchtigt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer eingangs genannten Hochfrequenzröhre durch Reduzie­ rung der Kollektorverlustleistung den Gesamtwirkungsgrad der Röhre zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.

Ein wesentlicher Vorteil der Röhre besteht darin, daß eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades bei Beibehaltung der HF- Eigenschaften wie z. B. Nichtlinearitäten, Strahlwirkungs­ grad und Zahl der Kollektorstufen ermöglicht wird.

Die allgemeine Wirkungsweise der erfindungsgemäß einge­ stuften zusätzlichen Wechselwirkungsstrecke, die auch als "Monochromator" für die Strahlelektronen bezeichnet wird, beruht darauf, daß nachdem der Elektronenstrahl die ei­ gentliche Verstärker-Wechselwirkungsstrecke verlassen hat, die kinetische Energie dessen schnelleren Elektronen in HF-Energie umgewandelt wird und dann diese HF-Energie dazu verwendet wird, die langsameren Elektronen, jeweils bezo­ gen auf die mittlere Elektronengeschwindigkeit, zu be­ schleunigen. Dadurch erreicht man eine weitgehende Annähe­ rung der Geschwindigkeit der einzelnen Elektronen an eine mittlere Geschwindigkeit und damit einen "monochromati­ schen" Elektronenstrahl, mit einer verringerten Breite des Geschwindigkeitsspektrums. Diese "Monochromatisierung" wird in einer zusätzlich eingefügten Wechselwirkungs­ strecke vorgenommen, die ihrerseits aus zwei hintereinan­ derliegenden Wechselwirkungs-Abschnitten besteht.

Anhand des unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 be­ schriebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nach­ folgend näher erklärt. Die Fig. 1 und 2 zeigen schema­ tisch ein Diagramm, in dem die Energieverteilung n der Elektronen im Strahl über der kinetischen Energie U der Elektronen im Strahl aufgetragen ist und die Kollektorver­ luste bei einer bekannten Röhre ohne "Monochromator" (Fig. 1) und bei einer erfindungsgemäßen Röhre mit "Mono­ chromator" (Fig. 2) eingezeichnet sind. Die Fig. 3 zeigt schematisch eine Röhre mit einem zwischen Wechselwirkungs­ kreis 4 und Kollektor 2 erfindungsgemäß eingefügten zusätzlichen Wechselwirkungskreis 7 (Monochromator). Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Wanderfeldröhre weist in an sich bekannter Weise eine Kathode 1 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 3 auf, der einen, z. B. als Wendel­ leitung ausgebildeten Wechselwirkungsbereich 4 durchläuft und dann in einem Kollektor 2, der z. B. dreistufig ausge­ bildet ist, aufgefangen wird. An den Eingang E der Wendel­ leitung 4 wird eine zu verstärkende Hochfrequenzquelle an­ gelegt und am Ausgang A wird die verstärkte HF-Welle abge­ nommen.

Gemäß der Erfindung ist nun zwischen der Wechselwirkungs­ strecke 4 und dem Kollektor 2 eine zusätzliche Wechselwir­ kungsstrecke 7 eingefügt, die z. B. ebenfalls in Form einer Wendelleitung ausgebildet sein kann und die zwei hinter­ einanderliegende Abschnitte 5 und 6 aufweist. Der Ab­ schnitt 5 ist derart bemessen, daß in diesem Wechselwir­ kungsabschnitt 5 durch die Strahlelektronen, deren Ge­ schwindigkeit größer ist als die mittlere Strahlgeschwin­ digkeit eine HF-Welle erzeugt wird, die in den Abschnitt 6 hinein weiterwandert. Der Abschnitt 6 ist nun derart be­ messen, daß seine HF-Welle mit den Elektronen in Wechsel­ wirkung tritt, deren Geschwindigkeit kleiner ist als die mittlere Strahlgeschwindigkeit. Dadurch wird der HF-Welle die Energie wieder entzogen bei gleichzeitiger Beschleuni­ gung der langsameren Elektronen.

Als Ergebnis bewirkt dieser aus den Abschnitten 5 und 6 bestehende "Monochromator" 7 eine Homogenisierung der Ge­ schwindigkeit der Elektronen des Elektronenstrahls 3 nach dessen Verlassen des Verstärkungsbereichs 4 und vor dessen Eintreten in den Kollektor 2.

Gemäß der Kurve der Energieverteilung n der Elektronen im Strahl in Fig. 2 sind die Kollektorverluste P_V infolge des steilen Abfalls der Kurve wesentlich geringer als bei einer Röhre ohne "Monochromator", wie sie in Fig. 1 dar­ gestellt ist. Bei einer solchen bekannten Röhre, bei der der in den Kollektor einlaufende Elektronenstrahl wegen Fehlens eines "Monochromators" ein wesentlich breiteres Geschwindigkeitsspektrum der Elektronen aufweist, zeigt die Kurve einen wesentlich flacheren Abfall und damit eine größere Kollektorverlustleistung P_V.

Durch die Einfügung des beschriebenen "Monochromators" können z. B. Kollektorverluste von 27% der gesamten aufge­ nommenen Leistung auf etwa 20% der gesamten aufgenommenen Leistung gesenkt werden. Dadurch kann z. B. der Gesamtwir­ kungsgrad einer Satellitenwanderfeldröhre von ca. 60% auf ca. 66% erhöht werden.

Claims (6)

1. Hochfrequenzröhre mit einem Elektronenstrahlerzeuger (1), einer Wechselwirkungsstrecke (4), in der ein Teil der Elektro­ nenstrahlleistung im Hochfrequenzleistung umgesetzt wird, wobei den Strahlelektronen unterschiedliche Geschwindig­ keiten vermittelt werden und einem Elektronenauffänger (2), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wechselwirkungs­ strecke (4) und dem Elektronenauffänger (2) eine zusätzliche Wech­ selwirkungsstrecke (7) eingefügt ist, die eine weitgehende Ho­ mogenisierung der Geschwindigkeiten der Strahlelektronen bewirkt.

2. Hochfrequenzröhre nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der zusätzlichen Wechselwirkungsstrecke (7) den Elektronen, die gegenüber der mittleren Geschwindig­ keit eine erhöhte Geschwindigkeit besitzen, durch Abbremsen Leistung entzogen und diese Lei­ stung zur Geschwindigkeitserhöhung der Elektronen verwen­ det wird, die eine gegenüber der mittleren Geschwindigkeit verringerte Geschwindigkeit besitzen.

3. Hochfrequenzröhre nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leistungsaustausch zwischen den schnellen und den langsamen Elektronen in der zusätz­ lichen Wechselwirkungsstrecke (7) durch Erzeugen und Abbauen von Hochfrequenzfeldern erfolgt.

4. Hochfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wechselwir­ kungsstrecke (7) zumindest einen ersten Wechselwirkungsab­ schnitt (5) zur Entnahme von Leistung der schnellen Elektronen und wenigstens einen nachfolgenden Wechselwirkungsab­ schnitt (6) zur Leistungsabgabe an die langsamen Elektronen aufweist.

5. Hochfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wechselwir­ kungsstrecke (7) als herkömmliche Verzögerungsleitung, insbesondere als Wendelleitung und/oder Resonatorleitung und/oder Kamm­ leitung ausgebildet ist.

6. Hochfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasengeschwindigkeit der HF-Welle im ersten Teil (5) der zusätzlichen Wechselwir­ kungsstrecke (7) größer ist als im zweiten Teil (6).