DE4315941C2 - Elektronenstrahlröhre für Mikrowellen oder Millimeterwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Elektronenstrahlröhre für Mikrowellen oder Millimeterwellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 32 16 250 C2 oder der US 4 891 556 bekannt ist.

Mikrowellen-Verstärkerröhren, wie beispielsweise Wander­ wellenröhren (TWTs) oder Klystrons sind im Stand der Technik wohlbekannt. Derartige Mikrowellenröhren werden verwendet, um die Verstärkung (das Gain) zu erhöhen oder um ein HF- Signal (Radiofrequenzsignal) in dem Mikrowellen-Frequenz­ bereich zu verstärken. Ein TWT mit gekoppelten Hohlräumen weist typischerweise eine Reihe von abgestimmten Hohlräumen auf, welche mittels Irisblenden verbunden oder gekoppelt sind, die zwischen den Hohlräumen bereitgestellt sind. Ein Mikrowellen HF-Signal, das in die Röhre eingeführt wird, breitet sich durch die Röhre aus, wobei es durch jede der gekoppelten Hohlräume hindurchtritt. Ein typisches TWT mit gekoppelten Hohlräumen kann bis zu 30 individuelle Hohlräume aufweisen, welche in dieser Art und Weise miteinander gekop­ pelt sind. Der mäandrierende Pfad (meandering path), den das HF-Signal nimmt, wenn es sich durch die Röhre ausbreitet, vermindert die effektive Geschwindigkeit des wandernden Si­ gnales, so daß es bearbeitet werden kann. Eine Welle mit einer derartigen verminderten Geschwindigkeit, die durch eine Röhre mit gekoppelten Hohlräumen dieses Typs gebildet wird, ist als "langsame Welle" (slow wave) bekannt.

Alle diese Hohlräume sind des weiteren durch einen Strahltun­ nel verbunden, der sich über die Länge der Röhre hinweg­ erstreckt. Um ein verstärktes HF-Ausgangssignal zu erzeugen, muß ein Elektronenstrahl durch den Strahltunnel projiziert werden. Der Strahl wird mittels magnetischen Feldern ge­ führt, die in dem Tunnelbereich gebildet werden. Der Elek­ tronenstrahl wechselwirkt mit dem HF-Signal, um die ge­ wünschte Verstärkung zu erzeugen. Die Bandbreite der Fre­ quenzen des sich ergebenden HF-Ausgangssignales kann beein­ flußt werden, in dem die Abmessungen der Hohlräume variiert werden und die Stärke des HF-Ausgangssignales kann geändert werden, in dem die Spannung und der Strom des Strahles vari­ iert wird.

Eine HF-Verstärkungsröhre kann entweder ein "integrales Pol­ stück" oder ein "übergezogenes Polstück" (slip-on polepiece) verwenden. Das Polstück ist typischerweise aus einem magne­ tischen Material hergestellt, das einen magnetischen Fluß zu dem Strahltunnel leitet. Ein integrales Polstück bildet einen Teil der Vakuumhülle, die sich nach innen in Richtung des Strahlbereiches erstreckt, während ein übergezogenes Polstück vollständig außerhalb der Vakuumhülle der Röhre liegt.

Das magnetische Feld, das in den Tunnelbereich eingeführt wird, resultiert aus Flußlinien, welche radial durch die Polstücke der Magneten durchtreten, welche außerhalb des Röhren­ bereiches liegen. Dieser Typ von Elektronenstrahl-Fokussie­ rung ist bekannt als "Periodic Permanent Magnet"-Fokussie­ rung (PPM-Fokussierung). Wenn die Polstücke einen Teil des Tunnels sowie die Hohlraumwand bilden, dann kann der magne­ tische Fluß in dem Strahlbereich zu großen Strahlsteifig­ keitswerten (beam stiffness values) λ_p/L führen, einer wünschenswerten Bedingung zum Fokussieren von Strahlen. Aus diesem Grund werden HF-Verstärkungsröhren mit integralen Polstücken gegenüber Röhren mit übergezogenen Polstücken be­ vorzugt.

Klystrons sind den TWTs mit gekoppelten Hohlräumen insofern ähnlich, als daß sie eine Anzahl von Hohlräumen umfassen, durch die ein Elektronenstrahl projiziert wird. Das Klystron verstärkt die Modulation auf dem Elektronenstrahl, um einen stark verdichteten Strahl (highly bunched beam) zu erzeugen, der einen HF-Strom enthält. Ein Klystron unterscheidet sich von einem TWT mit gekoppelten Hohlräumen dahingehend, als daß die Hohlräume im allgemeinen nicht gekoppelt sind. In­ dessen kann ein Teil der Klystron-Hohlräume untereinander gekoppelt werden, so daß mehr als ein Hohlraum mit dem Elek­ tronenstrahl wechselwirken kann. Dieser bestimmte Typ von Klystron ist bekannt als eine Ausgabeschaltung mit erweiterter Wechselwirkung (extended interaction output circuit).

Ein signifikantes Problem, das mit HF-Verstärkungsröhren in Beziehung steht, betrifft das effiziente Entfernen von Wärme. Wenn der Elektronenstrahl durch die Röhren-Hohlräume driftet, muß die Wärmeenergie aus der Röhre entfernt werden, die von Streuelektronen resultiert, die die Tunnel­ wände durchqueren, um dadurch Änderungen des magnetischen Widerstandes in dem magnetischen Material, thermische Defor­ mationen der Hohlraumoberflächen oder ein Schmelzen der Tunnelwände zu verhindern. Um die Wärme zu entfernen, werden gewöhnlich Kupferplatten mit dem Teil des magnetischen Ma­ teriales verbunden, das die Wärme zu seiner Wärmesenke führt. Das Kupfer verringert den thermischen Widerstand des Wärmepfades und hält die Tunneltemperatur auf einfache Art und Weise unterhalb dem gefährlichen Pegel. Die minimale Länge des thermischen Pfades in typischen zylindrischen Hohlräumen ist der Radius des Hohlraumes.

Ein zusätzliches Problem mit HF-Verstärkungsröhren besteht darin, daß es schwierig ist sie so zu konstruieren, daß sie HF-Signale im Millimeter-Wellenlängenbereich des Mikrowellenspektrums verstärken, oder Millimeterwellen. Diese extrem kurzen Wellenlängensignale bedürfen präziser Toleranzen bei der Fertigung der Hohlräume und der sie kop­ pelnden Irisblenden. Es ist wohlbekannt, daß in einer periodischen Mikrowellenstruktur eine Erhöhung der Variation der inneren Abmessungen von Periode-zu-Periode (nämlich denen, die von den HF-Feldern gesehen werden) zu einer Erhö­ hung der HF-Reflexionen im Inneren der Röhre führt. Dies be­ dingt seinerseits eine verschlechterte Impedanzanpassung zwischen der Röhre und dem HF-Eingangswellenleiter und nied­ rigere Periodizitätswerte würden dann existieren. Diese Fak­ toren führen zu verminderten Verstärkungswerten, die durch die Röhre erreichbar sind. Daher muß, wenn die nominalen Ab­ messungen der Teile sich mit höheren Frequenzen vermindern, der Umfang der Variation von Periode-zu-Periode gleichfalls vermindert werden.

In HF-Verstärkungsröhren mit integralem Polstück gemäß dem Stand der Technik werden die magnetischen und die nicht-ma­ gnetischen Teile gewöhnlich individuell hergestellt, zusam­ mengesteckt und dann miteinander hartverlötet. In Röhren, welche ausgelegt sind, um bei Millimeterwellenlängen betrie­ ben zu werden, werden die Änderungen in den Abmessungen von Periode-zu-Periode oft nicht nur durch die Toleranzen be­ stimmt, die für die individuellen Teile gefordert sind, son­ dern auch durch die Uneinheitlichkeiten der Lötbereiche zwi­ schen den Teilen. Bei höheren Frequenzen, bei denen mehr Perioden und daher gewöhnlich mehr Teile benötigt werden, wird es schwieriger bzw. kostenaufwendiger, eine Toleranz- Aufschauklung entlang des Stapels zu verhindern, insbeson­ dere wenn Kupferplatten an die Polstücke hinzugefügt werden müssen, um die thermische Leitfähigkeit entlang der Hohl­ raumwand zu verbessern.

Daher wird eine HF-Verstärkungsröhre mit integralem Polstück weniger brauchbar sein, wenn sich die Betriebsfrequenzen und die Zahl der Teile erhöht. Darüber hinaus wird die Röhre oft aus einem einzelnen Kupferblock herausgearbeitet, und zwar unter Verwendung von Entladungs-Bearbeitungstechniken, um das Abmessungs-Variationsproblem unter Kontrolle zu halten. Nachfolgend wird eine separate magnetische Schaltung übergezogen und mit der Röhre hartverlötet, wenn eine leichtgewichtige PPM-Fo­ kussierung gewünscht wird. Indessen geht durch die Eliminie­ rung des integralen Polstückes und die sich ergebende Ein­ führung eines magnetischen Flusses bei der Tunnelwand die gewünschte Fokussiereigenschaft von HF-Verstärkungsröhren mit integralem Polstück verloren. Das Verhältnis von λ_p/L wird signifikant vermindert und nur höhere Strahlspannungen können fokussiert werden.

Daher wäre es wünschenswert, eine HF-Verstärkungsröhre mit einem integralen Polstück für die Verstärkung eines Millimeterwellen-HF-Signales bereitzustellen, die Polstücke aufweist, die sich vollständig oder wenigstens teilweise vollständig entlang der Tunnelwand erstrecken, um die ge­ wünschte Strahlfokussierung zu ermöglichen. Es wäre gleich­ falls wünschenswert, eine HF-Verstärkungsröhre mit inte­ griertem Polstück bereitzustellen, welche Kupferplatten in Kontakt mit den Polstücken entlang der Hohlraumwand auf­ weist, um die Wärmeentfernung von der Tunnelwand zu verbes­ sern. Es wäre weiterhin wünschenswert, ein vergleichsweise preiswertes Verfahren der Herstellung einer Verstärkungs­ röhre mit integralem Polstück bereitzustellen, die die zuvor erwähnten Merkmale aufweist und die die unerwünschten Ein­ flüsse der Toleranz-Aufschauklung nicht zeigt.

Zum Stand der Technik gehört die eingangs erwähnte DE 32 16 250 C2 die eine Wanderfeldröhre mit Polscheiben und Wärmeableit­ scheiben offenbart. Dabei reichen die Wärmeableitscheiben über die Außenkante der Polscheiben hinaus und sind an ei­ nen Wärmeabführzylinder gekoppelt. Hohlräume und Ausnehmun­ gen zur Kopplung sind nicht offenbart.

Zum Stand der Technik gehört außerdem die ebenfalls eingangs erwähnte US 48 91 556, die verschiedene Wanderfeldröhren offenbart, die Polscheiben und Wärmeableitstrukturen aufweisen. Die Pol­ scheiben und die Wärmeableitstrukturen bilden eine unebene äußere Oberfläche der Röhren und sind ferner mit Luftkühl­ rippen an dieser äußeren Oberfläche versehen.

Des weiteren wird hingewiesen auf die DE-AS-1233065. Der zitierte Stand der Technik weist Probleme hinsichtlich der Wärmeauskopplung auf, wenn eine großflächige äußere Wärmesenke an die Röhre angeschlossen werden soll.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine HF- Verstärkungsröhre zu schaffen, welche eine gerichtete Wärmeauskopplung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einer HF-Verstärkungsröhre nach dem Anspruch 1 gelöst.

Die Unteransprüche gehen Ausführungsexperten der Erfindung an.

Ein Vorteil der HF-Verstärkungsröhre mit integralem Polstück, die ein Millimeterwellen-HF-Signal verstärkt und die Kupfer­ platten in Kontakt mit den Polstücken entlang der Hohlraum­ wand aufweist, liegt darin, die thermische Widerstandsfähigkeit zu verbessern und so thermische Deformation der Hohlraumober­ flächen zu verhindern, sowie Variationen des magnetischen Widerstandes des Materiales und ein Schmelzen der Tunnel­ wand, was sich bei einem Betrieb bei hohen Temperaturen er­ geben könnte.

Die HF-Verstärkungsröhre weist eine laminierte Struktur auf, die eine Mehrzahl von magnetischen und nicht-magnetischen Platten umfaßt, welche al­ ternierend und integral zusammengefügt werden. Die Struktur weist im wesentlichen planare externe Oberflächen und einen internen Strahltunnel auf. Eine Mehrzahl von Magneten wird vorgesehen, welche ein magnetisches Feld erzeugen, das Fluß­ linien aufweist, die zunächst durch die magnetischen Platten und dann in den Tunnel fließen. Die planaren Oberflächen werden an den Kanten der Struktur vorgesehen und erlauben die Anfügung von Wärmesenken mit planaren Grenzen an der Schaltung. Die nicht-magnetischen Platten weisen jeweils einen oder mehrere Schlitze auf, die für einen resonanten Hohlraum nach der Anfügung der Wärmesenken sorgen. Der Strahltunnel erstreckt sich durch jede der magnetischen Platten und tritt durch jeden der Hohlräume hindurch, wo­ durch eine Projektion eines Elektronenstrahles durch sie hindurch möglich wird. Die Verwendung einer planaren Kon­ figuration erlaubt den Vorteil einer Herstellung mit ge­ rinnen Kosten, während sie gleichfalls die gewünschte Geome­ trie für die HF-Verstärkung ermöglicht. Die nicht-magneti­ schen Platten tragen zum Entfernen der Wärme aus der Struk­ tur bei.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung wird ein Teil der magnetischen Platten mit einer Aus­ sparung versehen und die Aussparungen koppeln die Hohlräume. Die Position der Aussparungen alterniert zwischen einer ersten Kante, die mit einer ersten planaren Oberfläche koin­ zidiert, und einer zweiten Kante, die mit einer zweiten pla­ naren Oberfläche koinzidiert, die der ersten planaren Ober­ fläche gegenüberliegt. Alternativer Weise kann die Position der Aussparungen insgesamt mit einer einzelnen planaren Oberfläche koinzidieren. Eine Kombination zwischen der ersten und der zweiten Alternative ist gleichfalls möglich, wobei ein erster Teil der Aussparungen mit der ersten plana­ ren Oberfläche koinzidiert und ein zweiter Teil der Ausspa­ rungen mit der zweiten planaren Oberfläche koinzidiert. Ge­ mäß diesen verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung würde die HF-Verstärkungsröhre eine Wanderwellen­ röhre mit gekoppelten Hohlräumen ermöglichen.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung sind die Aussparungen nicht anwesend, wo­ durch die Hohlräume ungekoppelt verbleiben würden. In dieser Ausführungsform würde die HF-Verstärkungsröhre ein Klystron ermöglichen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer HF-Verstärkungs­ röhre mit integralem Polstück;

Fig. 2 eine partielle perspektivische Ansicht der HF-Ver­ stärkungsröhre mit integralem Polstück, wobei die magnetischen Flußlinien und die Wärmeflußlinien il­ lustriert sind;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer nicht zusammenge­ fügten, nicht-magnetischen Platte mit einem freilie­ genden Pilotloch;

Fig. 4 die HF-Verstärkungsröhre mit integralem Polstück aus Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Innenteils der HF-Ver­ stärkungsröhre mit integralem Polstück, und zwar entnommen entlang der Linie 5-5 aus Fig. 2;

Fig. 6 eine partielle perspektivische Ansicht einer HF-Ver­ stärkungsröhre mit integriertem Polstück für den Klystronbetrieb; und

Fig. 7 eine Seitenschnittansicht einer HF-Verstärkungs­ röhre, welche mit einer Elektronenkanone und einem Kollektor verbunden ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird nun eine HF- Verstärkungsröhre 10 beschrieben. Die Röhre 10 wird aus einer laminierten Struktur gebildet, welche eine Mehrzahl von nicht-magneti­ schen Platten 18 und magnetischen Platten 16 umfaßt, welche alternierend aufgebaut und integral zusammengefügt werden. Die aufgebaute Röhre 10 ist langgestreckt und im wesentli­ chen rechteckig, wobei sie Endplatten 12 aufweist, die an jedem Ende angeordnet sind, sowie eine erste Seite 23, eine zweite Seite 25, welche der ersten Seite 23 gegenüberliegt, eine dritte Seite 27 und eine vierte Seite 29, die der drit­ ten Seite 27 gegenüberliegt. Wie weiter unten genauer be­ schrieben werden wird, breitet sich ein Elektronenstrahl, der bei einem Ende der Röhre 10 bereitgestellt wird, durch eine Mehrzahl von Hohlräumen aus, die innerhalb der TWT ausgebildet sind, und er tritt an einem gegenüberliegenden Ende der TWT aus.

Jede der magnetischen Platten 16 und der nicht-magnetischen Platten 18 ist im wesentlichen rechteckig. Das bevorzugte Material für die magnetischen Platten 16 ist Eisen. Die magnetischen Platten 16, welche auch als Polstücke bekannt sind, weisen eine Aussparung 22 auf, die bei einer ihrer Kanten angeordnet ist. Die Aussparung 22, die in der Zeich­ nung dargestellt ist, ist im wesentlichen rechteckig und er­ streckt sich um weniger als die Hälfte der Strecke über die Breite des Polstückes hinweg. Indessen wird darauf hinge­ wiesen, daß alternative Aussparungsformen gleichfalls vor­ teilhaft verwendet werden können, so wie beispielsweise kreisförmige.

Die Position der Aussparung für jedes Polstück 16 kann zwi­ schen der Kante alternieren, die der ersten Seite 23 ent­ spricht und der Kante, die der zweiten Seite 25 entspricht. Wie am besten in Fig. 4 dargestellt, erscheint die Position der Aussparung 22 im Polstück 16 ₁ bei der ersten Seite 23. Das nächste Polstück 16 ₂ weist eine Aussparung 22 auf, die bei der zweiten Seite 25 angeordnet ist. Das dritte Polstück 16 ₃ würde erneut als Merkmal eine Aussparung 22 bei der er­ sten Seite 23 haben, und zwar ähnlich wie das Polstück 16 ₁. Alternativerweise könnten die Positionen der Aussparungen auf einer einzelnen Seite der TWT 10 verbleiben, oder sie könnten eine Kombination der zwei Konfigurationen sein, wo­ bei ein Teil der Aussparungen 22 auf der ersten Seite 23 und ein Teil auf der zweiten Seite 25 angeordnet wird. Gemäß ei­ ner weiteren Ausführungsform kann ein einzelnes Polstück 16 mehr als eine Aussparung 22 haben, wie beispielsweise eine bei jedem Ende des Polstückes. Wie detaillierter im folgen­ den beschrieben werden wird, sorgen diese Aussparungen für einen Kopplungspfad durch die benachbarten Hohlräume.

Die nicht-magnetischen Platten 18 werden relativ zu den Pol­ stücken 16 benachbart positioniert und sie alternieren mit ihnen. Das bevorzugte Material für die nicht-magnetischen Platten 18 ist Kupfer. Jede der nicht-magnetischen Platten 18 weist einen oder mehrere interne Schlitze 24 auf. Jeder Schlitz 24 hat eine im wesentlichen parallelflache Form, welche sich vollständig durch die Platte 18 von der ersten Kante 23 zu der zweiten Kante 25 erstreckt. Die Form der Schlitze 24 kann gleichfalls einen ovalen Querschnitt haben. Alternativ kann der Schlitz 24 sich zwischen der dritten Seite 27 und der vierten Seite 29 erstrecken. Die Schlitz­ richtung kann gleichfalls zwischen einer ersten Richtung al­ ternieren, welche sich zwischen der ersten und der zweiten Seite 23 bzw. 25 erstreckt, und einer zweiten Richtung, die sich zwischen der Seite 27 und der Seite 29 erstreckt. Diese Schlitze 24 stellen einen abgestimmten Hohlraum 26 bereit.

Wie aus Fig. 4 deutlich wird, entsteht mit den alternieren­ den Polstücken 16 und den nicht-magnetischen Platten 18, welche zusammen integral ausgebildet sind, ein kontinuier­ licher Pfad durch die Röhre 10, der sich durch jeden Hohl­ raum erstreckt und über jede Aussparung in einen benachbar­ ten Hohlraum übersetzt. Dieser Pfad ist gleichfalls der Schnittzeichnung in Fig. 5 entnehmbar.

Ein Elektronenstrahltunnel 14 erstreckt sich vollständig über die Länge der Röhre 10 hinweg. Der Tunnel 14 ist im allgemeinen von kreisförmiger Form und tritt durch jeden der Hohlräume 26 hindurch, wodurch die Hohlräume weiter verbun­ den werden. Der Strahltunnel stellt einen Pfad für die Pro­ jektion eines Elektronenstrahls durch die vollständig gekop­ pelte Hohlraumröhre 10 dar. Wenn die Hohlräume 26 mittels den Aussparungen 22, wie zuvor erläutert, gekoppelt werden, fungiert die Röhre 10 als ein Wanderwellen-Röhrenverstärker mit gekoppelten Hohlräumen. Im Betrieb wechselwirkt der Elektronenstrahl mit einem HF-Signal, das sich durch die gekoppelten Hohlräume ausbreitet. Energie von dem Strahl überträgt sich auf das HF-Signal, wodurch die Leistung des HF-Signals erhöht wird.

Jedes der Polstücke 16 und der nichtmagnetischen Platten 18 weist Kanten auf, die mit der ersten Seite 23 und der zwei­ ten Seite 25 flächenbündig sind. Wie im folgenden beschrie­ ben werden wird, stellen die erste Seite 23 und die zweite Seite 25 eine ebene Oberfläche 32, 32' bereit, und zwar für die Anheftung einer Wärmesenke 34. Die dritte Seite 27 und die vierte Seite 29 sind mit den anderen Kanten einer jeden der nicht-magnetischen Platten 18 flächenbündig, sowie mit einigen der Polstücke 16. Indessen erstrecken sich bestimmte Polstücke 16 über die dritte Seite 27 und die vierte Seite 29 hinaus, um Ohren 36 bereitzustellen. Die Kombination der flächenbündigen. Oberfläche 38 und der Ohren 36 sorgt für eine Befestigungsposition 38 für die Installierung von Ma­ gneten 42. Die in Fig. 2 dargestellten Magneten sind im we­ sentlichen rechteckig. Indessen sind andere Formen von Ma­ gneten gleichfalls vorteilhaft zu verwenden, nämlich bei­ spielsweise zylindrische.

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Magneten 42 innerhalb der Befestigungspositionen 38 relativ zu der TWT 10 derartig angeordnet, daß ein magnetisches Feld bereitgestellt wird, das Flußlinien 44 durch die Polstücke 16 aufweist. Die Flußlinien erstrecken sich durch die Polstücke 16 und sprin­ gen über die nicht-magnetischen Platten 18 in ein benachbar­ tes Polstück. Die Flußlinien 44 überqueren gleichfalls den Strahltunnel 14, um für eine Fokussierung des Elektronen­ strahls zu sorgen. Die magnetischen Flußlinien 44 springen dann über den Raum, der durch die Aussparung 22 gebildet wird, und zwar zurück durch den benachbarten Hohlraum 26 und in das erste Polstück 16. Es sollte deutlich werden, daß die Wärmesenkenoberfläche 32 dichter an den Tunnel 14 heran­ bewegt werden kann, indem die Form der Schlitze 24 und der Aussparungen 22 variiert wird, wodurch das Wärmeverhalten der Röhre 10 weiter verbessert wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist dort eine alternative Aus­ führungsform dargestellt, in der die Röhre 10 einen Kly­ stronbetrieb ermöglicht. Ein Teil der magnetischen Platten 16 wird ohne Aussparungen bereitgestellt. Wenn der Elektronenstrahl durch die Röhre 10 hindurchtritt, wird ein elektromagnetisches Feld innerhalb der Hohlräume 26 gebil­ det, das ein HF-Signal erzeugt. Ein Teil der Hohlräume 26 kann mittels der Aussparungen 22 gekoppelt werden, um als eine Ausgabeschaltung mit erweiterter Wechselwirkung (extended interaction output circuit) für eine verbesserte Bandbreite betrieben zu werden.

Um eine HF-Verstärkungsröhre 10 zusammenzufügen, muß eine laminierte Struktur von im wesentlichen rechteckigen, magnetischen und nicht-magneti­ schen glatten gebildet werden. Jede der magnetischen und nicht-magnetischen Platten weist ein zentrales Ausrichtungs­ loch auf. Ein dünnwandiges Rohr aus Molybdän (moly) wird durch jedes der Ausrichtungslöcher eingeführt, so daß die alternierenden Platten untereinander ausgerichtet werden können. Wenn die Platten zusammengefügt sind, werden sie zu der laminierten Struktur integral zusammengefügt, indem man sie hartverlötet oder eine andere Verbindungstechnik anwen­ det. Jede der nicht-magnetischen Platten weist darüber hin­ aus ein Pilotloch 52 auf, welches sich von der Kante er­ streckt, die mit der Seite 23 in Verbindung steht, und zwar zu einer Kante, die mit der zweiten Seite 25 in Verbindung steht. Ein exemplarisches Pilotloch 52 in einer nicht auf ge­ bauten nicht-magnetischen Platte 18 ist in Fig. 3 darge­ stellt. Sobald die Struktur aus magnetischen und nicht-ma­ gnetischen Platten in eine integrale Einheit zusammengefügt und hartverlötet ist, erstrecken sich die Pilotlöcher 52 durch die gesamte Breite der Struktur und sorgen für einen Mechanismus, um die Hohlräume auszuschneiden, wie im folgen­ den beschrieben werden wird.

Der nächste Schritt ist die Bearbeitung der frei liegenden Kanten der rechteckigen Röhre 10, bis sie eine geeignete Form aufweisen. Dies wird mittels konventioneller Frästech­ niken erreicht. Sobald die Seiten quadratisch beschnitten sind, werden die gewünschten Aussparungen 22 in die Seiten 23 und 25 hineingeschnitten. Die Aussparungen erstrecken sich vollständig über die Breite der Polstücke 16 und par­ tiell in jeweils benachbarte nicht-magnetische Platten 18. Wie im Stand der Technik bekannt ist, ist die bevorzugte Schneidetechnik von den gewünschten Toleranzanforderungen abhängig.

Nachdem die Aussparungen 22 gebildet sind, können die Hohl­ räume 26 ausgeschnitten werden. Das bevorzugte Verfahren zum Aus schneiden der Hohlräume 26 besteht in der Verwendung einer Draht-Elektronen-Entladungsbearbeitung (wire electron discharge machining, EDM). Unter Verwendung dieser Technik wird ein Draht durch die Pilotöffnungen 52 geführt, um das unerwünschte Kupfermaterial auszuschneiden, wobei der Schlitz 24 entsteht, ohne daß die Hohlraumwand durchschnit­ ten wird. Dieser Schritt wird wiederholt, um einen jeden der Hohlräume 26 in der Röhre 10 zu bilden. Nachdem die Hohl­ räume 26 gebildet sind, wird sich ein kontinuierlicher Pfad aus den Spalten 22 ergeben, der die Hohlräume 26 verbindet.

Die Draht-EDM-Technik wird dann verwendet, um die erste Seite 23 und die zweite Seite 25 quadratisch zu beschneiden, wodurch die Wärmesenkenoberflächen 32, 32' gebildet werden. Die Draht-EDM-Technik kann gleichfalls verwendet werden, um die Seitenteile der Polstücke 16 und der nicht-magnetischen Platten 18 zu entfernen, wodurch nur die freiliegenden Ohren 36 verbleiben. Wenn gewünscht, kann dieser letzte Schritt durchgeführt werden, um Ohren bei jedem dritten Polstück zu bilden, wie in Fig. 1 gezeigt, oder bei jedem zweiten Pol­ stück, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Röhre aus Molybdän wird gleichfalls durch die Draht-EDM-Technik entfernt, ebenso wie das zur Bildung des Elektronenstrahltunnels 14 verwendete Werkzeug.

Der letzte Schritt bei der Herstellung der Röhre 10 dient dazu, das Eintritts- und das Austrittstor in einer jeden der Endplatten 12 auszubilden. Diese Tore sorgen für die Eingabe des HF-Signals in die Röhre 10 hinein und aus ihr heraus. Die Tore können gleichfalls mittels konventioneller Fräs­ techniken oder EDM-Techniken ausgebildet werden. Die fertig­ gestellte TWT 10 kann dann mit Wärmesenken 34 ausgestattet werden, die an den Wärmesenkenoberflächen 32 befestigt wer­ den.

Um die HF-Verstärkungsröhre 10 mit integralem Polstück in Betrieb zu setzen, muß die Röhre mit anderen ähnlichen Schaltungen zu einem vollständigen Verstärkeraufbau zusam­ mengesetzt werden. Ein Anpassungsschaltkreis kann zu der fertiggestellten, gekoppelten Hohlraumröhre 10 hinzugefügt werden, um die HF-Impedanz zwischen dem HF-Eingangstor und der Röhre selbst anzupassen. Der Anpassungsschaltkreis wird typischerweise in einen Teil der gekoppelten Hohlraumröhre 10 eingearbeitet. Die Röhre 10 kann dann mit anderen Röhren­ bereichen zusammengefügt werden, wie in Fig. 7 dargestellt, nämlich mit einer Elektronenstrahlkanone 62 und einem Elek­ tronenstrahlkollektor 64. Die Elektronenstrahlkanone 62 weist eine Kathode 63 auf, welche sich erwärmt, um Elektro­ nen zu emittieren. Die Elektronen werden in einen Strahl 66 mittels eines magnetischen Feldes fokussiert, das in dem Strahltunnel 14 der Röhre 10 bereitgestellt wird. Der Kol­ lektor 64 empfängt und verteilt die Elektronen, nachdem sie die Röhre 10 verlassen haben.

Es sollte deutlich geworden sein, daß eine HF-Verstärkungsröhre, welche eine laminierte Struktur und im wesentlichen planare Oberflächen hat, vergleichweise preis­ wert herzustellen sein wird. Die Kupferplatten, welche die Schlitze bilden, sorgen für zusätzliche thermische Wider­ standsfähigkeit, indem sie die Wärme von dem Strahltunnel zur Wärmesenke führen. Die gewünschte Geometrie für die Mil­ limeterwellenfrequenzen kann präzise eingehalten werden, und zwar ohne eine Toleranzaufschauklung.

Zusammenfassend wird also festgehalten, daß eine HF-Verstär­ kungsröhre mit integralem Polstück beschrieben wird, die ein Millimeterwellen-HF-Signal verstärkt und die eine laminierte Struktur aufweist, die eine Mehrzahl von magnetischen und nicht-magnetischen leitenden Platten umfaßt, welche alter­ nierend und integral zusammengefügt sind. Die Röhre weist im wesentlichen planare Oberflächen auf, welche die Anfügung einer Wärmesenke an sich erlauben. Die nicht-magnetischen Platten weisen jeweils einen Schlitz auf, welcher einen re­ sonanten Hohlraum vorsieht, und ein Teil der magnetischen Platten weist eine Aussparung auf, die die Hohlräume kop­ pelt. Ein in die Röhre induziertes magnetisches Feld sorgt für eine Fokussierung eines Elektronenstrahls, der durch einen Tunnel projiziert wird, der sich durch einen jeden der Hohlräume erstreckt. Die Verstärkungsröhre kann für die Ver­ wendung als Wanderwellenröhre mit gekoppelten Hohlräumen oder als Klystronröhre konfiguriert werden.

Es sollte auch deutlich geworden sein, daß die angegebenen Vorteile durch das beschriebene System realisiert und daß verschiedene Modifikationen, Anpassungen und alternative Ausführungsformen der Elektronenröhre realisiert werden können. Beispielsweise können andere Präzisionsschneidever­ fahren (wie Fräsen oder Bohren) anstelle der Draht-EDM eingesetzt werden. Die Abmessungen der Komponenten hängen vom Frequenzbereich des HF-Signals ab, das verstärkt werden soll. Diese Abmessungen können erheblich variiert werden, um für alternative HF-Si­ gnale und HF-Pegel zu passen. Zusätzlich,sollte gleichfalls deutlich werden, daß die Schlitze 24 sowohl in den Pol­ stücken 16 als auch in den nicht-magnetischen Platten 18 be­ reitgestellt werden können und daß die Aussparungen 22 sowohl in den nicht-magnetischen Platten als auch in den Polstücken bereitgestellt werden können, je nach Wunsch, um die gewünschten Röhrencharakteristiken zu ermöglichen. Viel­ fachschlitze 24 können gleichfalls in einzelnen nicht-magne­ tischen Platten 18 oder Polstücken 16 ausgebildet werden.

Claims (11)

1. Elektronenstrahlröhre (10) für Mikrowellen oder Millime­ terwellen mit einer Anordnung zum Fokussieren des Elek­ tronenstrahls, die eine Mehrzahl von magnetischen Polstückplatten (16) und eine Mehrzahl von nichtmagneti­ schen Wärmeleitplatten (18) umfaßt, die jeweils eine Öffnung für den Elektronenstrahl aufweisen und derart aufeinandergeschichtet sind, daß ein durchgehender Stahltunnel (14) entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstückplatten und Wärmeleitplatten jeweils abwech­ selnd ohne Zwischenraum aneinandergereiht sind und daß sie zwei gegenüberliegende ebene Außenrandflächen (23, 25) aufweisen, die parallel zur Strahlachse liegen und in die der Wärmefluß gerichtet ist und so zwei einheit­ liche ebene Flächen bilden, die mit zwei ebenen Wärme­ senken (34) verbindbar sind, oder aber daß die Polstück­ platten und die Wärmeleitplatten nur eine solche Außen­ randfläche zur Verbindung mit nur einer Wärmesenke (34) aufweisen.

2. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahltunnel (14) durch die Polstückplatten (16) und die Wärmeleitplatten (18) selbst begrenzt ist.

3. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitplatten (18) je­ weils einen Schlitz (24) aufweisen, wobei die Schlitze jeweils einen resonanten Hohlraum (26) bilden und die Polstückplatten (16) eine Aussparung oder Iris (22) auf­ weisen, welche die Hohlräume koppeln.

4. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Positionen der Aussparungen (22) auf alternierenden Seiten des Strahltunnels (14) gelegen sind.

5. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aussparungen (22) bis zur Außen­ randfläche (32) reichen.

6. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schlitz (24) quaderförmig ist und sich zu den Außenrandflächen (32) erstreckt.

7. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strahltunnel (14) die Hohlräume (26) durchquert.

8. Elektronenstrahlröhre (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleit­ platten (18) aus Kupfer gebildet sind.

9. Elektronenstrahlröhre (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (34) mit der Außenrandfläche (32) kontaktiert ist.

10. Elektronenstrahlröhre (10) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokus­ siervorrichtung Permanentmagneten (42) umfaßt, welche mit den Polstückplatten (16) gekoppelt sind.

11. Elektronenstrahlröhre (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre als ein Klystron oder eine Wanderwellenverstärkerröhre mit gekoppelten Hohlräumen (26) ausgebildet ist.