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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Wanderwellenröhren-Verstärker und insbesondere das Verfahren
zur Herstellung der Trommel von Wanderwellenröhren und zur Abstützung der
Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung
innerhalb der Trommel.
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Wanderwellenröhren werden
verwendet, um Signale in Mikrowellensystemen zu verstärken. Beispielsweise
können
Wanderwellenröhren
in Satellitenkommunikationssystemen bereitgestellt werden, um die
Signale zu verstärken,
die von der Erde empfangen werden, bevor sie zur Erde zurückübertragen werden.
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Die
Wanderwellenröhre
umfasst allgemein ein Eingangskopplungselement, ein Ausgangskopplungselement
und eine Wanderwellenschaltung dazwischen. Die Wanderwellenschaltung
besteht aus einer Drahtwendel oder einer anderen Slow-wave-struktur,
die mit einem Elektronenstrahl zusammenwirkt, der innerhalb einer
Trommel gefangen ist. Die Trommel stellt eine Vakuumhülle bereit und
eine Trägerstruktur
für die
Wanderwellenröhren-Schaltung. Die Trommel
ist typischerweise aus einem wärmeleitenden
Metall hergestellt, wie beispielsweise einem weichgeglühten Kupfer,
obgleich andere Materialien verwendet werden können. Die Drahtwendel wird
von dielektrischen Stäben
von der inneren Wand der Bohrung der Trommel getragen. Die dielektrischen
Stäbe dienen
dazu, die Drahtwendel zu positionieren, und ebenfalls dazu, Wärme von der
Drahtwendel zu der Trommel zu leiten, wo die Hitze abgeleitet wird.
Ein richtig gesteuerter Elektronenstrom, der durch die innere Passage
der Wendel fließt, überträgt Energie
auf das Mikrowellensignal, das in der Drahtwendel fließt, so dass
das Mikrowellensignal verstärkt
wird.
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Bei
einem typischen Herstellungsvorgang wird die innere Bohrung der
Trommel in eine zylindrische Form dimensioniert innerhalb sehr enger
Toleranzen. Das Dimensionieren kann durch Honen, Ausbohren oder
Bohren erfolgen. Die Trommel wird danach erhitzt auf eine erhöhte Temperatur,
um sie radial auszudehnen, eine Wanderwellen-Schaltungsanordnung
einschließlich
der dielektrischen Stäbe und
der Drahtwendel wird in die Trommel platziert, und die Trommel wird
abgekühlt,
um sie in Kontakt mit den dielektrischen Stäben zu schrumpfen. Die Wanderwellenschaltung
wird von der Trommel durch einen sehr engen Presssitz gestützt.
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Während diese
Technik ausführbar
ist und sehr breite Verwendung findet, erfordert sie eine große Anzahl
von Schritten und eine sorgfältige
Prozesssteuerung, um Kontamination der Endfertigung durch Späne, Pulver,
Chemikalien und ähnlichem
zu verhindern, die während
des Dimensionierungsvorgangs produziert oder verwendet werden. Der
Dimensionierungsvorgang wird in einer Maschine ausgeführt, und
der Zusammenbau wird in einem Reinraum ausgeführt. Die dimensionierte Trommel
muss zwischen verschiedenen Plätzen
bewegt werden, mehrere Male inspiziert werden und jedes Mal sorgfältig gereinigt
werden, wenn sie in den Reinraum gelangt. All diese Schritte sind
zeitaufwendig und führen zu
einer wesentlichen Erhöhung
der Herstellungskosten.
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US 5 083 060 A offenbart
eine Mikrowellenröhre,
die mit zumindest einem axialen Teil versehen ist, das durch Abstandshalter
getragen wird und in eine koaxiale Hülle eingepasst ist. Die innere
Oberfläche
der Hülle
umfasst eine Hinterschneidung, die entworfen ist, um einen Abstandshalter
so zu blockieren, dass die Anordnung, die durch das Teil und die Abstandshalter
gebildet ist, in der Hülle
festgeklemmt wird. Die Hinterschneidung wird durch Räumen oder zerspanende
Bearbeitung hergestellt.
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Es
gibt ein Bedürfnis
nach einem verbesserten Lösungsweg
zur Herstellung und zum Zusammenbau von Wanderwellenröhren. Die
vorliegende Erfindung erfüllt
dieses Bedürfnis
und liefert ferner dazugehörige
Vorteile.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Wanderwellenröhre und ein Verfahren zur Herstellung
einer Wanderwellenröhren-Trommel. Die Wanderwellenröhren-Trommel
nimmt die Stäbe
der Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung
auf und positioniert sie präzise.
Der Herstellungslösungsweg
zur Verarbeitung bzw. Bearbeitung der innenliegenden Oberfläche der
Wanderwellenröhren-Trommel erzeugt keine
Späne,
Pulver oder andere Kontaminationen, und kann in einem Reinraum ausgeführt werden.
Viele Reinigungs- und Präzisionsdimensionierungsvorgänge, die
in früheren
Lösungen
zur Herstellung der Wanderwellenröhren-Trommel erforderlich waren, sind
nicht notwendig. Das Herstellungsverfahren wird damit wesentlich
vereinfacht und verkürzt,
und die Kosten der Herstellung werden reduziert.
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Erfindungsgemäß umfasst
ein Verfahren zur Herstellung einer Wanderwellenröhre die
Schritte: Bereitstellen einer hohlen zylindrischen Trommel mit einer
Längsachse
und mit einer Bohrung, die durch eine innere Wand mit einem Innendurchmesser
gebildet wird, und Bereitstellen eines länglichen Werkzeugs. Das Werkzeug
umfasst einen Werkzeugkörper
und zumindest zwei spurbildende Elemente, die sich nach außen von
dem Werkzeugkörper
erstrecken. Die zumindest zwei spurbildenden Elemente besitzen einen
umschriebenen Maximaldurchmesser, der größer als der Innendurchmesser
der hohlen zylindrischen Trommel ist. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise,
sind die zumindest zwei spurbildenden Elemente symmetrisch um den
Werkzeugkörper
positioniert. Wünschenswerterweise
sind die spurbildenden Elemente länglich parallel zu einer Längsrichtung
des Werkzeugs, um als "Kiele" zu dienen, um die
spurbildenden Elemente zu zwingen, sich in einer geraden Linie parallel
zu der Längsachse
der Trommel zu bewegen. Das Werkzeug wird durch die Bohrung in Richtung
parallel zu der Längsachse
getrieben, um eine Spur bzw. eine Nut in der inneren Wand der hohlen
Trommel für
jede der zumindest zwei spurbildenden Elemente zu bilden. Das Verfahren
umfasst ferner das Zusammenbauen einer Wanderwellen-Schaltungsanordnung
innerhalb der Bohrung der Trommel. Die Wanderwellen-Schaltungsanordnung
umfasst zumindest zwei Stäbe,
wobei jeweils einer in einer der zumindest zwei Spuren gestützt wird
und sich parallel zu der Längsachse
erstreckt. Um besonders tiefe Spuren zu erzeugen, oder für besondere
Konstruktionsmaterialien der Trommel, können zwei oder mehrere Werkzeuge,
die aufeinanderfolgend größere umschriebene
maximale Durchmesser besitzen, durch das Innere der Trommel geführt werden,
wobei jedes nachfolgende Werkzeug die Spuren weiter vergrößert und
vertieft.
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Der
vorliegende Lösungsweg
stellt einen Satz von in Umfangsrichtung positionierten Spuren her,
die sich parallel zu der Längsachse
der Wanderwellenröhren-Trommel
erstrecken, sich nach außen von
der Bohrung der Trommel erstrecken. Die Seiten und Gründe der
Spuren sind konfiguriert, um die Stäbe der Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung an
dem gewünschten
Ort innerhalb der Wanderwellenröhren-Trommel
zu halten. Der teure Dimensionierungsvorgang des herkömmlichen
Lösungswegs wird
dadurch beseitigt. Bei dem vorliegenden Lösungsweg werden die Spuren
durch Metallverschiebung hergestellt und nicht durch Metallschneiden oder
-entfernen, so dass keine Späne
oder andere feste Reste bei der spurbildenden Prozedur entstehen.
Die Spurausbildung kann mit oder ohne Schmierstoff erfolgen, wobei
ohne Schmierstoff bevorzugt wird, da damit die Notwendigkeit entfällt, den Schmierstoff
zu entfernen. Die Spurbildung kann bei Raumtemperatur ausgeführt werden
oder bei erhöhter
oder reduzierter Temperatur, entsprechend den Anforderungen an das
jeweilige zu bearbeitende Metall.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft
die Prinzipien der Erfindung darstellen. Der Umfang der Erfindung
ist jedoch nicht auf die bevorzugte Ausführungsform beschränkt, sondern
durch die angehängten
Ansprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Wanderwellenröhren-Trommelanordnung entsprechend
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Endansicht der Wanderwellenröhren-Trommel der 1 ohne
die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung;
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3 ist
eine Seiten-Schnittansicht der Wanderwellenröhren-Trommel entlang der Linie
3-3 von 2 ohne die wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung;
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4 ist
ein Blockflussdiagramm eines Lösungswegs
zur Herstellung der Wanderwellenröhre von 1;
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5A–5F zeigen
einige Werkzeuge, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, wobei 5A–5B ein
gleitendes Werkzeug in einer End- bzw. einer Seitenteilansicht zeigen; 5C–5D zeigen
ein kugelgestütztes
Rollwerkzeug in einer End- bzw. einer Seitenteilansicht; und 5E–5F zeigen
ein radgestütztes
Rollwerkzeug in einer End- bzw. einer Seitenteilansicht; und
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6 ist
eine schematische Seiten-Schnittansicht des durch die Bohrung der
Röhre zu
treibenden Werkzeugs.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine Wanderwellenröhren-Anordnung 20,
die eine Wanderwellenröhren-Trommel 22 umfasst,
die sich längs
einer Längsachse 23 erstreckt.
Eine Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 ist
innerhalb einer Bohrung 26 der Wanderwellenröhren-Trommel 22 befestigt.
Die Wanderwellenröhren-Trommel 22 ist
typischerweise aus einem gut wärmeleitenden
Material, wie beispielsweise weiches (weichgeglühtes) Kupfer, hergestellt,
aber andere Konstruktionsmaterialien können auch verwendet werden.
Die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 umfasst
zumindest zwei, und – hier
dargestellt – drei
Stäbe 28,
die in Spuren 30 in der inneren Wand 32 der Wanderwellenröhren-Trommel 22 getragen
sind, und eine Drahtwendel 34, die durch die Stäbe 28 getragen
wird. Die allgemeinen Merkmale solcher Wanderwellenröhren-Anordnungen
mit Ausnahme des nachfolgend Diskutierten sind im Stand der Technik
gut bekannt.
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2-3 zeigen
die Wanderwellenröhren-Trommel 22 in
größerem Detail,
wobei die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 aus Übersichtlichkeitsgründen entfernt
ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
sind drei der Spuren 30 symmetrisch in gleichen Abständen entlang
der inneren Wand 32 der Bohrung 26 beabstandet,
aber in anderen Fällen
können
die Spuren asymmetrisch entlang der inneren Wand positioniert sein.
Drei Spuren liefern eine sichere dreieckförmige Befestigung der Wendel 34,
aber zumindest zwei oder mehr als drei Spuren können stattdessen verwendet
werden.
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4 zeigt
einen bevorzugten Lösungsweg zur
Herstellung der Wanderwellenröhren-Trommel 22 von 1–3.
Eine hohle zylindrische Röhre wird
bereitgestellt, Bezugszeichen 40. Die Röhre hat einen inneren Durchmesser
von Dtube. Der vorliegende Lösungsweg
steht bezüglich
des Aufbaus der Wanderwellenröhre
in Kontrast zu dem herkömmlichen
Lösungsweg.
In dem herkömmlichen
Lösungsweg
ist die Bohrung präzise
auf Maß gearbeitet
[dimensioniert], gewöhnlich
mit einer diametralen Toleranz von weniger als 0,005 mm (0,0002
Inch) durch Honen, Ausbohren oder Bohren, um eine glatte kontinuierliche
Innenwand mit konstantem Durchmesser zu erhalten. Der Dimensionierungsvorgang
erfordert das Metallschneiden, was zu Spänen, Schmiermitteln und anderen
Kontaminationen führt,
die viele Reinigungsschritte erfordern. Das präzise Dimensionieren, das für herkömmliche
Trommeln erforderlich ist, erhöht
die Schwierigkeit der Herstellung und der Kosten der Trommel und
führt zu
einer reduzierten Ausbeute akzeptabler Trommeln. Das präzise Dimensionieren
in dem herkömmlichen
Lösungsweg wird
in einer Maschinenhalle ausgeführt,
und die Trommel muss sorgfältig
gereinigt werden, bevor sie in einen Reinraum für den weiteren Zusammenbau geführt wird.
Im Gegensatz dazu ist der Innendurchmesser der Röhre bei der vorliegenden Erfindung nicht
präzise
dimensioniert, sondern nur allgemein auf den bestimmten Durchmesser.
Der Lösungsweg der
vorliegenden Erfindung macht ein präzises Dimensionieren des gesamten
inneren Durchmessers unnötig
und beseitigt viele der zuvor beschriebenen Schritte. Eine verbesserte
Herstellbarkeit und ein erhöhter
Ertrag sind wichtige Vorteile der vorliegenden Erfindung.
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Ein
längliches
Werkzeug wird bereitgestellt, Bezugszeichen 42. 5A–5F zeigen
einige mögliche
Werkzeugtypen 50, aber die Erfindung ist nicht auf die
Benutzung dieser Werkzeuge beschränkt. Das Werkzeug 50 besitzt
einen Körper 52 und
in dem bevorzugten Fall drei spurbildende Elemente 54,
die sich nach außen
von dem Körper 52 in gleichmäßigen Abständen entlang
des Umfangs des Körpers 52 erstrecken
(120 Grad, ± 0,2
Grad in der bevorzugten Ausführungsform).
Die Winkelpositionierung der spurbildenden Elemente 54 entspricht der
gewünschten
Winkelpositionierung der Spuren 30 in dem Endartikel. Eine
symmetrische Positionierung der Spuren 30 ist normalerweise
gewünscht, wie
in der bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Falls jedoch die gewünschte Winkelpositionierung der
Spuren 30 entweder asymmetrisch oder nicht gleichwinklig
sondern symmetrisch ist, sind die spurbildenden Elemente 54 entsprechend
zu positionieren.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
von 5A–5B ist
jedes spurbildende Element ein starrer Arm 54a. Eine Kontaktfläche 56a des
Arms 54a definiert die Form des Grunds der Spur 30,
die vorzugsweise entweder flach oder im Querschnitt kreisförmig oder
konzentrisch zu der inneren Wand 32 der Röhrentrommel 22 ist.
In der Ausführungsform der 5C–5D ist
das spurbildende Element eine rollende Kugel 54b, und die
Kontaktfläche 56a ist
mit dem Radius der Kugel 54b gekrümmt. Bei der Ausführungsform
der 5E–5F ist
das spurbildende Element ein rollendes Rad 54c, und die
Kontaktfläche
besitzt einen relativ kleinen Radius, wie er durch den Seite-zu-Seite-Radius
des rollenden Rads 54c definiert wird.
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Bei
jedem der Werkzeuge, wie jene, die in 5A–5F gezeigt
sind, bieten die Kontaktflächen 56 der
Werkzeuge 50 einen umschriebenen Kreis 58 des
Durchmessers Dtool. Der Wert von Dtool ist größer als jener von Dtube in jedem Fall, typischerweise um einen
Betrag von etwa 0,001 bis etwa 0,002 Inch. Die Hälfte dieser Differenz definiert
die Tiefe der Spuren 30 in der endgültigen Röhrentrommel 22.
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Die
spurbildenden Elemente 54 sind aus einem Material hergestellt,
das härter
ist als das Konstruktionsmaterial der Röhrentrommel 22. Vorzugsweise
sind die spurbildenden Elemente 54 aus einem gehärteten Werkzeugstahl
für den
Fall einer Kupferröhrentrommel 22 hergestellt.
Falls notwendig, können
sogar härtere
Materialien für
die spurbildenden Elemente verwendet werden.
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Zurückkommend
auf 4 wird das Werkzeug 50 durch die Bohrung 26 der
Wanderwellenröhren-Trommel 22 in
die Richtung parallel zu der Längsachse 23 getrieben,
Bezugszeichen 44. 6 zeigt
das Werkzeug 50, das durch die Bohrung 26 der
Röhrentrommel 22 gezogen
wird, aber es kann stattdessen durch die Bohrung 26 gedrückt werden. Das
Werkzeug 50 ist selbstzentrierend, wenn es durch die Bohrung 26 getrieben
wird. Um dem Werkzeug 50 das Einsetzen in die Bohrung 26 zu
ermöglichen,
kann die führende
Kante des Werkzeugs 50 abgeschrägt oder konisch sein, wie in 5B, 5D und 5F mit
Bezugszeichen 60 gezeigt. Wenn sich das Werkzeug 50 durch
die Bohrung 26 bewegt, bilden die spurbildenden Elemente 54 die Spuren 30 durch
Metalldeformation und Metallverschiebung, und nicht durch Metallschneiden,
Metallschälen
oder ähnliches.
Diese Formationsbildung der Spuren 30 erzeugt keinen Abfall,
der nachfolgend eine Reinigung erfordern würde, und der nach der Reinigung
verbleiben könnte,
um die Endfertigung 20 zu kontaminieren. Der Durchtreibvorgang 44 kann mit
oder ohne Schmierung des Werkzeugs und der inneren Fläche der
Röhrentrommel 22 ausgeführt werden.
Das Durchtreiben ohne Schmierstoff ist bevorzugt, um das Einbringen
eines Schmierstoffs zu vermeiden, der ein nachfolgendes Reinigen
erfordern würde.
Erste Tests zeigen, dass das ungeschmierte Durchtreiben 44 in
sehr vielen Fällen
gut arbeitet.
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Das
Werkzeug 50 ist vorzugsweise länglich parallel zu der Längsachse 23,
wie in 6 gezeigt. Diese Längserstreckung dient dazu,
das Werkzeug 50 gegen eine Umfangsdrehung zu stabilisieren, wenn
es durch die Bohrung 26 gezogen wird, ähnlich wie der Kiel eines Boots,
und produziert lange gerade Spuren 30 parallel zu der Längsachse 23.
Das Werkzeug der 5A–5B wird
aus diesem Grund bevorzugt, da der Kontaktfläche 56 jede gewünschte Form
gegeben werden kann, und da die Seiten der Spuren 30 präzise durch
die Form der Seite des Arms 54a definiert sind. Die Werkzeuge
der 5C–5D und 5E–5F sind
funktionsfähig
aber weniger bevorzugt, da sie dazu tendieren, sich in Umfangsrichtung
in der Bohrung zu drehen, solange nicht Vorkehrung getroffen wird,
um eine solche Drehung zu verhindern.
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In
einigen Fällen
kann das Konstruktionsmaterial der Röhrentrommel 22 die
Bildung von Spuren 30 der gewünschten Form und Tiefe in einem
einzelnen Durchgang eines einzelnen Werkzeugs 50 verhindern.
Verschiedene Faktoren können
geändert werden,
um eine Ausbildung der Spuren zu ermöglichen. Ein Schmierstoff kann
verwendet werden. Die Temperatur der Röhre und des Werkzeugs während des
Durchtreibvorgangs 44 können verändert werden.
Es ist bevorzugt, den Durchtreibvorgang 44 bei Raumtemperatur
auszuführen,
aber die Temperatur der Röhre
und des Werkzeugs kann auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur
reduziert oder auf eine erhöhte
Temperatur erhöht
werden, mit einem Kühlgerät bzw. einem
Ofen. Bei einer anderen Lösung
wird eine Reihe von Werkzeugen 50 mit zunehmendem wirksamen
Durchmesser verwendet. Falls beispielsweise die Röhre einen
inneren Durchmesser von Dtube besitzt und
der Grund der Spur einen Enddurchmesser von 1,010 Dtube aufweisen
soll, kann ein erstes Werkzeug, wie das dargestellte, und mit einem
umschriebenen Durchmesser Dtool von 1,005
Dtube zunächst durch die Bohrung der
Röhre getrieben
werden, um zunächst
den Ort und die Form der Spur auszubilden. Danach kann ein zweites Werkzeug
wie das dargestellte und mit einem umschriebenen Durchmesser von
Dtool von 1,010 Dtube als
zweites durch die Bohrung der Röhre
getrieben werden, wobei darauf zu achten ist, dass das zweite Werkzeug
nicht neue Spuren bildet sondern nur die existierenden Spuren vergrößert und
vertieft, die von dem ersten Werkzeug gebildet wurden. Falls noch tiefere
Spuren gefordert werden, können
mehr als zwei Werkzeuge mit zunehmenden wirksamen Durchmessern verwendet
werden.
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Nachdem
die Spuren 30 gebildet sind, wird die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 in das
Innere der Röhrentrommel 22 gebaut,
wobei die Stäbe 28 in
den Spuren 30 getragen werden, Schritt 46 in 4.
Bei der bevorzugten Lösung
werden die Stäbe 28 zuerst
zusammen mit der Wendel 34 zusammengebaut, um die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 auszubilden.
Die Röhrentrommel 22 mit
den zuvor ausgebildeten Spuren 30 wird in einen Ofen gesetzt
und erhitzt, so dass sie sich radial ausdehnt. Die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 entlang
der Längsachse 23 geschoben, bis
sie die gewünschte
Position erreicht. Die Röhrentrommel 22 und
die Wanderwellenröhren-Schaltungsanordnung 24 werden
dann aus dem Ofen entnommen und abgekühlt, so dass die Röhrentrommel 22 sich
radial nach innen zusammenzieht, um die Stäbe 28 innerhalb der
Spuren 30 durch einen Schrumpfsitzvorgang einzufangen.
In einer Abwandlung dieser Lösung
können
die äußeren Enden
der Stäbe
zunächst
mit einem Hartlötmetall
beschichtet werden, das bei der Temperatur schmilzt, auf die die Röhre zuerst
erhitzt wird, und sich danach verfestigt, wenn die Röhre abgekühlt wird,
um die Stäbe 28 fest in
den Spuren 30 zu befestigen.
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Obgleich
eine bestimmte Ausführungsform der
Erfindung im Detail zu Zwecken der Erläuterung beschrieben wurde,
sind verschiedene Modifikationen und Erweiterungen denkbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Entsprechend ist die Erfindung
nicht zu beschränken,
mit Ausnahme auf die angehängten
Ansprüche.