DE60311540T2

DE60311540T2 - Breitbandige gekoppelte Hohlraumresonatorenanordnung mit invertierten Schlitzmoden

Info

Publication number: DE60311540T2
Application number: DE60311540T
Authority: DE
Inventors: Alan J. Redwood City Theiss
Original assignee: L3 Communications Corp
Current assignee: L3 Technologies Inc
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: DE60311540D1; US20030030390A1; EP1369892B1; US6593695B2; EP1369892A3; EP1369892A2

Description

ANGABEN ÜBER VERWANDTE ANMELDUNGEN
Dies ist eine teilweise Fortsetzung der Anmeldung mit der Anmeldenr. 09/231,058, eingereicht am 14. Januar 1999, mit dem Titel "Broadband, Inverted Slot Mode, Coupled Cavity Circuit (Breitband, invertierter Schlitzmodus, gekoppelter Hohlraumschaltkreis).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrowellen-Verstärkerröhren, wie zum Beispiel eine Wanderfeldröhre (TWT) oder Klystron und, insbesondere, auf eine Mikrowellen-Elektronenröhre mit gekoppeltem Hohlraum, die einen invertierten Schlitzmodus und ein breitbandiges Ansprechverhalten erzeugt.
2. Beschreibung fachbezogener Technik
Mikrowellen-Verstärkerröhren wie TWTs oder Klystrone sind in der Technik hinlänglich bekannt. Diese Vorrichtungen sind so entworfen, dass man ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal) und ein Elektronenstrahl so in Wechselwirkung treten lässt, dass die Energie des HF-Signals verstärkt wird. Eine TWT mit gekoppeltem Hohlraum beinhaltet typischerweise eine Reihe abgestimmter Hohlräume, die durch Blenden (auch als Aussparungen oder Schlitze bekannt) verbunden oder gekoppelt sind sind, die zwischen den Hohlräumen gebildet sind. Ein Mikrowellen-HF-Signal, das in der Röhre induziert wird, pflanzt sich durch die Röhre fort, wobei es jeden der entsprechenden gekoppelten Hohlräume durchläuft. Eine typische TWT mit gekoppeltem Hohlraum kann dreißig oder mehr einzelne Hohlräume aufweisen, die auf diese Weise gekoppelt sind. Somit erscheint die TWT als gefalteter Wellenleiter; der mäandernder Pfad, den das HF-Signal nimmt, wenn es die gekoppelten Hohlräume der Röhre durchläuft, verringert die effektive Geschwindigkeit des Signals, was dazu führt, dass der Elektronenstrahl auf das Signal effektiv einwirkt. Deshalb ist die Wellenform mit verringerter Geschwindigkeit, die von einer gekoppelten Hohlraumröhre dieser Art erzeugt wird, als „langsame Welle" bekannt.
Jeder der Hohlräume ist darüber hinaus durch einen Elektronenstrahltunnel verbunden, der sich über die Länge der Röhre erstreckt und durch den ein Elektronenstrahl projiziert wird. Der Elektronenstrahl wird durch magnetische Felder geleitet, die im Bereich des Strahltunnels induziert werden; der gefaltete Wellenleiter leitet das HF-Signal perio disch über den driftenden Elektronenstrahl vor und zurück. Somit tritt der Elektronenstrahl mit dem HF-Signal in Wechselwirkung, während er die Röhre durchläuft, um die gewünschte Verstärkung zu erzeugen, indem Energie vom Elektronenstrahl auf die HF-Welle übertragen wird.
Die Magnetfelder, die im Tunnelbereich induziert werden, entstehen aus Flusslinien, die radial durch Polstücke von Magneten fließen, die außerhalb des Röhrenbereichs liegen. Das Polstück besteht typischerweise aus permanentmagnetischem Material, das den Magnetfluss zum Strahltunnel kanalisiert. Diese Art der Elektronenstrahlfokussierung ist als periodische Permanentmagnetfokussierung (PPM) bekannt.
Klystrone sind TWTs mit gekoppeltem Hohlraum in der Hinsicht ähnlich, dass sie eine Reihe von Hohlräumen umfassen können, durch die ein Elektronenstrahl projiziert wird. Das Klystron verstärkt die Modulation des Elektronenstrahls, um einen stark gebündelten Strahl zu erzeugen, der einen HF-Strom enthält. Ein Klystron unterscheidet sich von einer TWT mit gekoppeltem Hohlraum dadurch, dass die Hohlräume des Klystrons im Allgemeinen nicht gekoppelt sind. Ein Teil der Hohlräume des Klystrons kann jedoch gekoppelt sein, so dass mehr als ein Hohlraum mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung treten kann. Diese besondere Art von Klystron ist als ein Klystron mit erweiterter Wechselwirkung (EIK) bekannt.
Bei einem gekoppelten Hohlraumschaltkreis wird die Bandbreite, über die die Verstärkung des resultierenden HF-Ausgangssignals auftritt, typischerweise gesteuert, indem die Dimensionen der Hohlräume und Blenden verändert werden, und die Stärke des HF-Ausgangssignals wird typischerweise gesteuert, indem die Spannungs- und Stromeigenschaften des Elektronenstrahls verändert werden. Noch spezifischer muss bei einem gekoppelten Hohlraumschaltkreis zur Leitung höherer Frequenzen die Hohlraumgröße für den Schaltkreis verringert werden. Damit ein Schaltkreis mehr Frequenzen leiten kann, muss die Blende vergrößert werden.
Im Allgemeinen gibt es zwei Frequenzbänder von Interesse, bei denen die Leitung auftreten kann. Das erste Durchlassband mit der niedrigeren Frequenz wird als „Hohlraumdurchlassband" bezeichnet, da seine Eigenschaften weitgehend durch die Hohlraumresonanzbedingung gesteuert werden. Das zweite Durchlassband mit der höheren Frequenz wird als „Blendendurchlassband" bezeichnet, und seine Eigenschaften sind vor allem durch die Blendenresonanzbedingung beeinflusst. Normalerweise wird die zweite Raumoberwelle (zwischen π und 2π der Streuungskurve) des ersten Durchlassbandes (oder Hohlraumdurchlassbandes) für die Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl verwendet. Mit zunehmender Länge der Blende tauscht die Hohlraumresonanzbedingung (die normalerweise bei dem Punkt 2π auf dem unteren ersten Durchlassband der Streu ungskurven auftritt) die Position mit der Blendenresonanzbedingung, die bei dem Punkt 2π auf dem oberen zweiten Durchlassband auftritt. Wenn diese Durchlassbandmodusinversion auftritt (d.h. das Hohlraumdurchlassband und das Blendendurchlassband tauschen ihre relativen Positionen), bietet dies den Vorteil, dass ansteuerungsinduzierte Oszillationen vermieden werden. Somit sind keine speziellen Verfahren zur Unterdrückung der Oszillation erforderlich. Es ist festzuhalten, dass der Mechanismus der Erregung der Oszillationen mit einem langsamer werdenden Strahl, der einen Hohlraumresonanzpunkt kreuzt, hinreichend bekannt ist.
Unglücklicherweise ist die Blendenlänge zur Erzeugung einer Durchlassbandmodusinversion (auch bekannt als invertierter Schlitzmodus) normalerweise so groß, dass sie den Elektronenstrahltunnel umläuft. Dies hat denn Nachteil, dass transversale Magnetfelder eingeschleppt werden, wenn die Blende in einem Eisen-Polstück liegt. Darüber hinaus stellt die wirksame Entfernung von Wärme bei HF-Verstärkerröhren ein erhebliches Problem dar. Wenn der Elektronenstrahl durch die Röhrenhohlräume driftet, muss Wärmeenergie (die aus den Streuelektronen entstehen, die auf die Tunnelwände prallen) von der Röhre abgezogen werden, um Reluktanzveränderungen des magnetischen Materials, eine thermisch bedingte Verformung der Hohlräumoberflächen oder ein Schmelzen der Tunnelwand zu verhindern. Die übermäßige Länge der Blende und die entsprechende Verringerung der Metallmenge führen zu einem längeren Wärmestrompfad um die Blende. So ist die Fähigkeit zum Abzug von Wärme einher mit der gesamten thermischen Widerstandsfähigkeit des gekoppelten Hohlraumschaltkreises deutlich verringert.
Das Dokument WO-A-01/88945 beschreibt einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis für eine Mikrowellen-Elektronenröhre, die mindestens zwei benachbarte Resonanzhohlräume umfasst. Ein Elektronenstrahltunnel führt durch den gekoppelten Hohlraumschaltkreis, um einem Strahl von Elektronen zu erlauben, durch die Hohlräume zu strömen und mit der darin befindlichen elektromagnetischen Energie in Wechselwirkung zu treten. Eine Blende, die die benachbarten Hohlräume verbindet, ermöglicht, dass elektromagnetische Energie von einem Hohlraum zum nächsten fließt. Die Blende ist allgemein symmetrisch um eine senkrechte Achse des Elektronenstrahltunnels, und ist mit trichterförmigen Enden und einem Mittelabschnitt versehen, der die trichterförmigen Enden verbindet. Die Form der Blende führt dazu, dass das Blendenmodusdurchlassband eine geringere Frequenz aufweist als das Hohlraummodusdurchlassband.
Dementsprechend wäre es wünschenswert, einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis zur Verfügung zu stellen, der mit einer Blende versehen ist, die die Durchlassbandmodusinversion ohne eine übermäßig lange Blende erzeugt. Es wäre auch wünschenswert, dass der gekoppelte Hohlraumschaltkreis einen Breitbrandfrequenzgang hat (d.h. viele und auch höhere Frequenzen), während ansteuerungsinduzierte Oszillationen vermieden werden, so dass keine speziellen Verfahren zur Oszillationsunterdrückung erforderlich sind. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, dass ein solcher gekoppelter Hohlraumschaltkreis eine erhebliche Zunahme bei der Menge von Metall bietet, die um den Elektronenstrahltunnel zur Verfügung steht, so dass eine Durchlassbandmodusinversion auftritt, ohne dass es zu einer Zunahme transversaler Magnetfelder oder einer Verringerung der thermischen Widerstandsfähigkeit kommt.
Darüber hinaus wäre ein gekoppelter Hohlraumschaltkreis vorteilhaft, der höhere und mehr Frequenzen bei höherer Leistung leitet. Wie bereits erwähnt, ist es für einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis typisch, dass zur Leitung höherer Frequenzen die Hohlraumgröße für den Schaltkreis kleiner sein muss. In entsprechender Weise muss für einen Schaltkreis zur Leitung von mehr Frequenzen die Blende größer sein. Zur Erhöhung der Ausgangsstärke muss jedoch bei einem gekoppelten Hohlraumschaltkreis die Hohlraumgröße zunehmen und die Größe der Blende abnehmen, da ein Schaltkreis mit einer höheren thermischen Widerstandsfähigkeit erforderlich ist, um die höhere Leistung zu bewältigen. Ein Schaltkreis mit einem größeren Hohlraum und einer kleineren Blende ist thermisch widerstandsfähiger.
Dementsprechend wäre es für Konstruktionen mit größerer Leistung auch wünschenswert, einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis zur Verfügung zu stellen, der höhere Frequenzen leitet, ohne die Hohlraumgröße zu verringern (oder zu verengen), und der mehr Frequenzen leitet, ohne die Blende zu vergrößern. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, dass ein solcher Schaltkreis Ausgangsleistungen mit flachen Frequenzgängen aufweist (d.h. weniger Verzerrungen).
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche richten sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung ist ein gekoppelter Hohlraumschaltkreis mit einer Blende versehen, die eine Durchlassbandmodusinversion so erzeugt, dass sich das Blendenmodusdurchlassband auf einer niedrigeren Frequenz befindet als das Hohlraummodusdurchlassband. Darüber hinaus stellt der gekoppelte Hohlraumschaltkreis auch einen Breitbandfrequenzgang zur Verfügung, während er ansteuerungsinduzierte Oszillationen verhindert, so dass innerhalb des gekoppelten Hohlraumschaltkreises kein verlustbehaftetes Material erforderlich ist. Darüber hinaus bietet der gekoppelte Hohlraumschaltkreis diese Vorteile, ohne eine übermäßige Länge der Blende zu erfordern, und vermeidet somit jegliche deutliche Zunahme der transversalen Magnetfelder oder eine Verringerung der thermischen Widerstandsfähigkeit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Mikrowellen-Elektronenröhre mit einer Elektronenkanone zum Aussenden eines Elektronenstrahls versehen, der eine vorbestimmte Spannung aufweist. Die Elektronenröhre ist auch mit einem Kollektor versehen. Der Kollektor ist von der Elektronenkanone beabstandet. Der Kollektor wird verwendet, um Elektronen des Elektronenstrahls aufzufangen, der von der Elektronenkanone ausgesendet wird. Die Röhre ist darüber hinaus mit einer Wechselwirkungsstruktur versehen, die einen elektromagnetischen Pfad definiert, entlang welchem ein angelegtes elektromagnetisches Signal mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt. Die Wechselwirkungsstruktur umfasst darüber hinaus mehrere Hohlraumwände und mehre Magnete. Die mehreren Hohlraumwände haben jeweils eine ausgerichtete Öffnung, um einen Elektronenstrahltunnel bereitstellen. Der Elektronenstrahltunnel erstreckt sich zwischen der Elektronenkanone und dem Kollektor. Der Elektronenstrahltunnel definiert darüber hinaus einen Elektronenstrahlpfad für den Elektronenstrahl. Die Magnete stellen einen Magnetflusspfad zum Elektronenstrahltunnel bereit. Das elektromagnetische Signal hat ein erstes Durchlassband und ein zweites Durchlassband. Das erste Durchlassband hat eine obere Bandgrenze. Das zweite Durchlassband hat eine erste, eine zweite und eine dritte Raumoberwelle und eine untere Bandgrenze. Die Wechselwirkungsstruktur enthält darüber hinaus jeweilige (in ihr gebildete) Hohlräume, die miteinander verbunden sind, um einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis bereitzustellen. Die mehreren Hohlraumwände trennen benachbarte Hohlräume voneinander. Jeder der Hohlräume weist darüber hinaus auch eine Blende auf, um das elektromagnetische Signal durchzukoppeln. Die Blende und die Hohlraumwände sind so dimensioniert, dass die Wechselwirkungsstruktur einen invertierten Schlitzmodus zeigen kann. Der invertierte Schlitzmodus umfasst eine Hohlraumresonanzfrequenz, die wesentlich größer als eine entsprechende Blendengrenzfrequenz ist. Die Hohlraumresonanzfrequenz ist der unteren Bandgrenze des zweiten Durchlassbandes zugeordnet. Die Blendengrenzfrequenz ist der oberen Bandgrenze des ersten Durchlassbandes zugeordnet. Bei einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Spannung des Elektronenstrahls so gewählt, dass der Elektronenstrahl mit der dritten Raumoberwelle des zweiten Durchlassbandes in Wechselwirkung treten kann. Bei einer weiteren Ausführungsform umfassen die mehreren Magnete mehrere Permanentmagnete. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Blende und die Hohlraumwände unter Verwendung einer geometrischen Formel so dimensioniert, dass die Wechselwirkungsstruktur den invertierten Schlitzmodus zeigen kann. Die geometrische Formel umfasst:
wobei A einen Radius des Strahltunnels darstellt; L eine effektive Länge der Blende darstellt, W eine Höhe der Blende darstellt, R einen Radius eines der Hohlräume darstellt, der an die Blende gekoppelt ist, T eine Dicke einer der Hohlraumwände darstellt, die der Blende zugeordnet ist, G einen Spalt zwischen zweien der Hohlraumwände darstellt; und m einen Bruchteil eines in einem der Hohlräume des gekoppelten Schaltkreises zirkulierenden Gesamtstroms darstellt, der auf nur eine Blende trifft. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Blende eine Blendenkapazität und eine Blendeninduktivität. Jede der Hohlraumwände umfasst eine Hohlraumkapazität und eine Hohlrauminduktivität. Die Blendenkapazität, die Blendeninduktivität, die Hohlraumkapazität und die Hohlrauminduktivität sind so gewählt, dass der invertierte Schlitzmodus gezeigt wird.
Eine vollständigeres Verständnis des gekoppelten Hohlraumschaltkreises sowie eine Umsetzung zusätzlicher Vorteile und Aufgaben davon werden dem Fachmann durch Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ermöglicht. Es erfolgt eine Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsblätter, die hier zuerst kurz beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines typischen gekoppelten Hohlraumabschnitts einer zylindrischen Mikrowellen-Elektronenröhre;
2 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines typischen gekoppelten Hohlraumabschnitts einer rechteckigen Mikrowellen-Elektronenröhre;
3a, 3b und 3c sind Querschnittsansichten eines Polstücks entlang Linie 3-3 von 1;
4a, 4b und 4c sind Graphen, die eine Durchlassbandmodusinversion darstellen, die auftritt, wenn die Länge der Blende zunimmt;
5a ist ein schematische Darstellung eines Hohlraumschaltkreismodells mit zwei Schlitzen (oder zwei Blenden);
5b ist eine Rückansicht des Modells von 5a;
6a ist eine quergeschnittene Draufsicht eines gekoppelten Hohlraumschaltkreises (z.B. ein gekoppelter TWT-Verstärker) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6b ist eine seitliche Querschnittsansicht des Innenraums des gekoppelten Hohlraumschaltkreises von 6a;
6c ist eine Rückansicht des gekoppelten Hohlraumschaltkreises von 6a;
7 ist ein Graph, der die Frequenz gegenüber der Wellenzahl für den gekoppelten Hohlraumschaltkreis von 6a-c darstellt, mit sich in Wechselwirkung befindenden Elektronenstrahllinien bei der dritten Raumoberwelle des zweiten Durchlassbandes;
8 und 9 sind Graphen, die zwei der häufigsten Oszillationen der in 7 gezeigten Wechselwirkungen darstellen;
10 ist ein Graph der Spannung über Strom, der Stabilitätsbereiche zeigt (d.h. es können Stabilitätsbereiche verwendet werden, um einen Elektronenstrahl zu wählen, der mit der dritten Raumoberwelle im zweiten Durchlassband eines HF-Signals in Wechselwirkung tritt).
11 ist eine Querschnittsansicht eines rechteckigen Polstücks, die eine Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12a ist eine perspektivische Ansicht einer integralen Polstück-HF-Verstärkerröhre unter Verwendung einer Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12b ist eine alternative Ausführungsform einer integralen Polstück-HF-Verstärkerröhre;
13 ist eine Explosionsansicht der integralen Polstück-HF-Verstärkerröhre von 12a;
14 ist eine Querschnittsansicht des Innenraums der integralen Polstück-HF-Verstärkerröhre entlang Schnitt 14-14 von 12a;
15a ist eine Vorderansicht eines gekoppelten Hohlraumschaltkreises (z.B. ein gekoppelter Hohlraum-TWT-Verstärker oder eine integrale Polstück-HF-Verstärkerröhre) gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15b ist eine seitliche Querschnittsansicht des Innenraums des Schaltkreises von 15a;
15c ist eine Rückansicht des Schaltkreises von 15a und 15b;
16a, 16b und 16c sind Ansichten einer ersten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
17a, 17b und 17c sind Ansichten einer zweiten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
18a, 18b und 18c sind Ansichten einer dritten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
19a, 19b und 19c sind Ansichten einer vierten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
20a, 20b und 20c sind Ansichten einer fünften alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
21a, 21b und 21c sind Ansichten einer sechsten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
22a, 22b und 22c sind Ansichten einer siebten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
23a, 23b und 23c sind Ansichten einer achten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
24a, 24b und 24c sind Ansichten einer neunten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
25a, 25b und 25c sind Ansichten einer zehnten alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
26a, 26b und 26c sind Ansichten einer elften alternativen Ausführungsform des in 15a, 15b und 15c gezeigten Schaltkreises;
27 stellt eine seitliche Querschnittsansicht eines gekoppelten Hohlraum-TWT-Verstärkers mit einem Standard-PPM-Polstückstapel dar, der eine Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
28 stellt eine seitliche Querschnittsansicht einer gekoppelten Hohlraum-Mikrowellen-Verstärkerröhre dar, die an einer Elektronenkanone und einem Kollektor angebracht ist;
29 ist ein Graph, der die elektrischen Felder über den Hohlraumspalt bei einer Hohlraumresonanzfrequenz für einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis darstellt, der eine Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
30 ist ein Graph, der die Frequenz gegenüber der normierten Wellenzahl für einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis darstellt, der eine Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die bevorzugte Ausführungsform kommt dem Bedarf an einem gekoppelten Hohlraumschaltkreis nach, der eine Durchlassbandmodusinversion zur Verfügung stellt, ohne eine übermäßige Länge der Blende zu erfordern. Im Ergebnis stellt der gekoppelte Hohlraumschaltkreis eine Breitbandantwort zur Verfügung, ohne zu einer starken Zunahme der transversalen Magnetfelder oder einer Verschlechterung der thermischen Widerstandsfähigkeit zu führen. Darüber hinaus verhindert der gekoppelte Hohlraumschaltkreis ansteuerungsinduzierte Oszillationen und deshalb sind bei dem Schaltkreis keine speziellen Verfahren zur Oszillationsunterdrückung wie zum Beispiel verlustbehaftetes Material erforderlich.
Darüber hinaus befriedigt die vorliegende Erfindung den Bedarf an einem gekoppelten Hohlraumschaltkreis zur Leitung von HF-Signalen bei höheren Frequenzen ohne Verringerung der Hohlraumgröße, und von mehr Frequenzen ohne Zunahme der Größe der Blende. Im Ergebnis kann dem Schaltkreis ohne eine thermische Verschlechterung mehr Leistung zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung auch einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis zur Verfügung, der flachere Frequenzgänge zur Verfügung stellt als der konventionelle gekoppelte Hohlraumschaltkreis.
Bei der folgenden ausführlichen Beschreibung werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu beschreiben, die in einer oder mehreren der Figuren darstellt sind. Bezugnehmend zuerst auf 1, wird eine typische gekoppelte Hohlraumzylinderwanderfeldröhre 10 gezeigt. Da der gekoppelte Hohlraumabschnitt von jeder gewünschten Länge sein kann, ist die gekoppelte Hohlraum-TWT 10 von einem Einlass- oder Auslassabschnitt der TWT gebrochen dargestellt. Darüber hinaus sollte, obwohl die gekoppelte Hohlraum-TWT 10 in Zylinderform dargestellt ist, klar sein, dass die gekoppelte Hohlraum-TWT 10 alternativ rechteckig oder von jeder anderen in Fachkreisen bekannten Form sein kann. Die gekoppelte Hohlraumstruktur beinhaltet mehrere benachbarte Hohlräume 26, die durch Polstücke 34 voneinander getrennt sind. Die Polstücke 34 umfassen scheibenförmige Elemente, die die zylinderförmigen Hohlräume 26 voneinander trennen. Die Hohlräume 26 werden durch Kopplungsblenden (oder -schlitze) 35 gekoppelt, die sich durch einen Abschnitt eines jedes der Polstücke 34 erstrecken und somit einen mäandernden Pfad 40 für die wandernde HF-Welle zur Verfügung stellen. Ein Elektronenstrahltunnel 14 erstreckt sich entlang einer Achse der TWT durch einen zentralen Abschnitt eines jeden Polstücks 34 und erlaubt den Durchgang eines Elektronenstrahls 13 durch jeden Hohlraum 26.
2 stellt eine typische gekoppelte Hohlraum-Rechteck-Wanderfeldröhre 15 dar, und, wie in 1, ist diese gebrochen von einem Einlass- und Auslassabschnitt der TWT gezeigt. Die gekoppelte Hohlraumstruktur für die gekoppelte Hohlraum-TWT 15 beinhaltet mehrere benachbarte Hohlräume 24, die durch rechteckige Polstücke 32 voneinander getrennt sind. Der rechteckige Polstück 32 weist eine Blende (oder einen Schlitz) 33 und einen Elektronenstrahltunnel 11 auf. Wie in 2 zu sehen ist, ist die Form der Blende 33 typischerweise rechteckig, um mit der rechteckigen Form der gekoppelten Hohlraum-TWT 15 übereinzustimmen.
Nun erfolgt die Bezugnahme auf 3a, 3b und 3c: Jede Figur zeigt eine Querschnittsansicht des Polstücks 34 entlang Linie 2-2 von 1. Über jedem Polstück 34 ist die jeweilige Länge der Blende 35 durch L_θ dargestellt, wobei L_θ die Länge des Blendenumfangs für einen entsprechenden Blendenwinkel θ mit dem Ursprung zentriert am Elektronenstrahltunnel ist. Wie vorstehend erläutert, verändern sich, wenn sich die Länge der Blende L_θ ändert, die relativen Positionen des Hohlraummodusdurchlassbandes und des Blendenmodusdurchlassbandes. Diese Veränderung der relativen Positionen der Durchlassbänder ist durch die entsprechenden Graphen der 4a, 4b und 4c dargestellt. Insbesondere 4a, 4b und 4c stellen den gekoppelten Hohlraumschaltkreisgang für Frequenz (ω) gegenüber der normierten Wellenzahl (Wellenzahl β mal Schaltungsperiode P geteilt durch π) dar, der durch die jeweilige Länge der Blende von 3a, 3b und 3c entsteht.
3a stellt die typische Blendenlänge L_θ dar und 4a stellt den entsprechenden Betrieb des gekoppelten Hohlraumschaltkreises für die in 3a dargestellte Blendenlänge L_θ dar. Wie in dem Graph von 4 zu sehen ist, ist die Frequenz des Hohlraummodusdurchlassbandes niedriger als die des Schlitzmodusdurchlassbandes. Bei dieser Konfiguration ist das Hohlraummodusdurchlassband typischerweise das Durchlassband, das für die Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl verwendet wird. Wenn die Länge der Blende L_θ zunimmt, bewegen sich das Hohlraummodusdurchlassband und das Schlitzmodusdurchlassband näher aufeinander zu, bis die beiden sich verbinden, wie in 4b für die entsprechende Länge der Blende L_θ von 3b gezeigt ist. Wenn die beiden Modi sich verbinden, wird dieser Zustand als Koaleszenzmodus bezeichnet.
Wenn die Länge der Blende weiter zunimmt, wird das Hohlraummodusdurchlassband zum oberen, zweiten Frequenzband und das Schlitzmodusdurchlassband wird zum unteren, ersten Frequenzband, wie in 4c für die entsprechende Länge der Blende L_θ von 3c gezeigt ist. Dies wird als invertierter Schlitzmodus oder Durchlassbandmodusinversion bezeichnet. Die Durchlassbandmodusinversion ermöglicht, dass das Schlitzmodusdurchlassband als das untere Durchlassband fungiert und dass der Elektronenstrahl, der vorher mit dem unteren Hohlraumdurchlassband in Wechselwirkung getreten wäre, nun mit dem unteren Schlitzmodusdurchlassband in Wechselwirkung tritt. Darüber hinaus verhindert die Durchlassbandmodusinversion ansteuerungsinduzierte Oszillationen, da bei dem Schlitzmodusdurchlassband die Wechselwirkungsimpedanz des Elektronenstrahls an der oberen Grenzfrequenz Null ist, was auf die schwindende axiale elektrische Feldkomponente an der Achse zurückzuführen ist. Deshalb sind bei dem invertierten Modus keine speziellen Verfahren zur Oszillationsunterdrückung erforderlich, wie zum Beispiel verlustbehaftetes Material, das innerhalb des gekoppelten Hohlraumschaltkreises platziert wird.
Trotz dieser Vorteile zeigt 3c, dass die Länge der Blende L_θ, die erforderlich ist, um die Durchlassbandmodusinversion zu induzieren, groß ist. Die Blende innerhalb des Polstücks läuft fast vollständig um den Elektronenstrahltunnel. Dies hat den Nachteil, dass transversale Magnetfelder eingebracht werden, wenn die Blende in einem Eisen-Polstück liegt. Darüber hinaus entsteht aufgrund einer Stromunterbrechung Wärme an der Wand des Elektronenstrahltunnels. Somit führt die lange Blendenlänge zu einem längeren Wärmestrompfad um die Blende und verursacht deshalb eine Verringerung der thermischen Widerstandsfähigkeit des gekoppelten Hohlraumschaltkreises.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wurden bestimmte Bedingungen für die Bildung eines gekoppelten Hohlraumschaltkreises mit invertiertem Schlitzmodus mit einer kurzen Blendenlänge abgeleitet. Die Geometrie zum Erhalt eines Schaltkreises mit invertiertem Schlitzmodus mit kurzer Blende folgt aus einer Analyse eines Curnow-Hohlraums (durch äquivalente konzentrierte Elemente gebildet). Das generalisierte Zwei-Schlitz-Hohlraummodell 100 ist schematisch in 5a-b gezeigt.
Bezugnehmend auf 5a-b kann nun der generalisierte Zwei-Blenden-Hohlraumschaltkreis 100 anhand verschiedener Schaltkreisparameter beschrieben werden. Der Hohlraumparameter 105 umfasst eine Hohlraumkapazität C_C und eine Hohlrauminduktivität L_C. Die Hohlrauminduktivität L_C ist gleich den Induktivitäten L_C/m, L_C/n und L_C/p110. (Wenn n = 0, geht L_C/n zu unendlich und L_C ist gleich L_C/p plus die beiden L_C/m's, da L_C/p und die beiden L_C/m's parallel verbunden sind). Die Hohlraumkapazität C_C und die Hohlrauminduktivität L_C werden so gewählt, dass ω_C = (L_C, C_C)^-1/2 zur Winkelresonanzfrequenz des Hohlraums 115 wird. Der Schlitzparameter 120 umfasst eine Schlitzkapazität C_S und eine Schlitzinduktivität L_S. Die Schlitzkapazität C_S und die Schlitzinduktivität L_S werden so gewählt, dass ω_S = (L_S, C_S)^-1/2 zur Winkelresonanzfrequenz der Blende 140a oder 140b wird. Weitere drei Parameter, die als m, n und p bezeichnet werden, werden so gewählt, dass p + 2m + n = 1, wobei m, p und n Bruchteile des Gesamtstroms sind, der in dem Hohlraumschaltkreis 110 zirkuliert, der jeweils auf eine Blende (140a oder 140b), keine Blende, und zwei Blenden (140a und 140b) trifft.
Zusätzliche Parameter, die für die Curnow-Analyse verwendet werden, sind die Phasenverschiebung pro Periode θ, die Gesamtimpedanz K = V2C /2P, die Hohlraumspannung V_C, der Stromfluss entlang der Schaltungsperiode P, die Impedanzparameter (R/Q)_C = (L_C/C_C)^1/2 und zwei Mal das Verhältnis der Induktanzen a = 2L_S/L_C.
Hinsichtlich der sieben Curnow-Parameter sind die Phasenverschiebung und Gesamtimpedanz gegeben durch:
Im Kontext der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung mit versetztem Schlitz ist die Länge der Kopplungsblenden (oder -schlitze) 140a-b gering. Somit gibt es keinen Strompfad, der zwei Schlitze verbindet, und somit ist n = 0. Dementsprechend reduziert sich die obige Gleichung auf:
Bei der Hohlraumresonanzfrequenz ω = ω_C beträgt die Phasenverschiebung pro Hohlraum 2π, (cosθ = 1), und die Impedanz geht aufgrund des Sinusterms zu unendlich. Bei beiden Gleichungen definiert jedoch eine Gruppe von drei Termen eine Schlitzgrenzfrequenz ω_SC = ω_s (1 + am)^1/2, die auch auftritt, wenn cosθ = 1 und für die die Impedanz Null ist. Wenn die Schlitzgrenzfrequenz ω_SC kleiner gemacht werden kann als die Hohlraumresonanzfrequenz ω_C, wird das erste Durchlassband dem Schlitzmodus zugeordnet und das zweite dem Hohlraummodus. Dies ist die invertierte Schlitzmodusbedingung.
Dementsprechend muss die strombezogene Bedingung zum Erhalt des invertierten Schlitzmodusschaltkreises mit kleiner Blende übereinstimmen mit:
oder
Dementsprechend können durch Definition der folgenden geometrischen Parameter für den Schaltkreis 100, wobei

R: = Radius 165 des äquivalenten zylindrischen Hohlraums 115,
A: = Radius des Strahltunnels (Innenradius des Tunnels),
T: = Dicke des Polstücks 170 (Hohlraumwand 160),
G: = Spalt 185 zwischen den Hohlraumwänden 160,
W: = Höhe der Kopplungsblende 175,
L: = effektive Länge 180 der Kopplungsblende (140a oder b)
P: = Schaltungsperiode für einen Hohlraum ohne Metallring (d.h. T + G),

Somit führt bei einer Konstruktion mit Hochleistungs-Millimeterwellen-Frequenz, bei der der Metallring entfernt wird, der ringförmige Stromfluss im Hohlraum zu einer Schätzung einer Hohlrauminduktanz von:
(wobei μ die magnetische Permeabilität oder das Verhältnis des Magnetflusses ist). Unter Verwendung der Tatsache, dass die Resonanzwellenlänge der Blende (oder des Schlitzes) die Hälfte der effektiven Länge der Blende (oder des Schlitzes) ist, (wobei f_S die lineare Resonanzschlitzfrequenz ist),
und unter Verwendung eines Parallelplattenkondensatormodells für die Kopplungsblende
stellt sich die Schlitz- (oder Blendeninduktanz) heraus als
Der Term (L_CC_C/L_SC_S)am kann zu 2mC_C/C_S vereinfacht werden, so dass die Kurzschlitz-Bedingung wird zu:
Somit müssen im Allgemeinen zur Erzielung der wünschenswerten Geometrie der Spalt (G) zwischen den Hohlraumwänden, die Dicke (T) der Hohlraumwand und die Länge (L) der Blende lang sein, während der Hohlraumradius (R) und die Höhe (W) der Blende klein sein müssen. Dementsprechend kann im Kontext der vorliegenden Erfindung ein invertierter Schlitzmodus erreicht werden, indem die Dicke (T) der Hohlraumwand erhöht wird oder indem die Blendenhöhe (W) verringert wird (statt als nur die Länge der Blende (L) zu erhöhen).
6a-c stellen einen TWT-Schaltkreis 200 dar, aus dem die meisten allgemeinen Merkmale oben abgeleitet sind. Besonders zu beachten sind die dicke Hohlraumwand 210 in 6b (d.h. die Dicke (T) der Wand 265), die kurze Länge der Blende 260 in 6c und die niedrige Höhe der Blende 230 in 6c. Die geometrischen Parameter für den in 6a-c gezeigten TWT-Schaltkreis 200 können abgeleitet werden, indem bestimmte geometrische Werte in die oben angeführten Formeln eingesetzt werden. Bei einer Ausführungsform für das Erzielen des invertierten Schlitzmodus ist der linke Term innerhalb der Klammern der oben genannten geometrischen Schätzformel etwa gleich 0,43 und der rechte Term etwa gleich 0,25 für insgesamt 0,68, was kleiner als 1 ist. Dementsprechend kann die Bedingung für den invertierten Schlitzmodus basierend auf der oben genannten geometrische Schätzformel erfüllt werden, auch wenn der Spalt (G) 240 zwischen den Hohlraumwänden 210 und der Länge (L) der Blende 260 klein ist.
Aufgrund der kleineren Länge der Blende 260 erzeugt die in Fig. a-c gezeigte Ausführungsform eine Durchlassbandmodusinversion ohne die oben erläuterten Nachteile. Die kürzere Länge der Blende 260 führt zu einem kürzeren Wärmestrompfad von der Wand des Elektronenstrahltunnels nach außen und somit wird die thermische Widerstandsfähigkeit des gekoppelten Hohlraumschaltkreises erhöht. Darüber hinaus verringert die kürzere Blendenlänge eine wesentliche Zunahme transversaler Magnetfelder, wenn die Blende in einem Eisen-Polstück liegt.
Darüber hinaus wird der Schaltkreis in 6a-c, wie die meisten gekoppelten Hohlraumschaltkreise mit gerader Wand und ohne Metallring oft als rechteckiger gefalteter Wellenleiterschaltkreis (im Gegensatz zu den gekrümmt oder schlangenförmig gefalteten Wellenleitern) bezeichnet.
Die Auswahl anderer geometrischer Dimensionen für einen invertierten Schlitzmodus kann auch abgeleitet werden, indem man die oben genannte geometrische Schätzformel verwendet. Vorzugsweise werden nach der Abschätzung der Geometrie des Schaltkreises durch die oben genannte Formel Computersimulationsprogramme (in Fachkreisen bekannt) wie zum Beispiel Magic3D verwendet, um zu überprüfen, ob sich die Hohlraumresonanz im zweiten Durchlassband befindet.
7 ist ein Graph für die HF-Signalstreuungen (d.h. elektromagnetisches Signal oder Mikrowellensignal) des oberen, zweiten Durchlassbandes 330 und des unteren, ersten Durchlassbandes 340 des Schaltkreises 200 in 6a-c. Die Hohlraumresonanz 350 liegt um 25,5 GHz an der Unterseite des zweiten Durchlassbandes 330. Herkömmlicherweise wird das erste Durchlassband 340 verwendet, um mit Elektronenstrahllinien in Wechselwirkung zu treten. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wurde jedoch herausgefunden, dass es wünschenswert wäre, Elektronenstrahlen 310a-b so zu betreiben, dass sie mit dem zweiten Durchlassband 330 in Wechselwirkung treten. Darüber hinaus wurde herausgefunden dass, wenn die Elektronenstrahllinien 310a-b nahe der Schlitzgrenzfrequenz 320 platziert werden, ohne bedeutenden Wechselwirkungen im ersten Durchlassband 340 eine Wechselwirkung mit dem zweiten Durchlassband 330 erzielt werden kann. Zum Beispiel wird in einer funktionsfähigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Hochspannungselektronenstrahl 310a (25 kV) verwendet, um mit der dritten Raumoberwelle im zweiten Durchlassband 330 des in 6a-c gezeigten invertieren Schlitzmodusschaltkreises in Wechselwirkung zu treten. In diesem Fall durchquert, unter Rückbezug auf 7, die Strahlenlinie das erste Durchlassband 340 nahe der oberen Band grenze 320, wobei βP/π = 2. An diesem Punkt speichert die Schlitzresonanz Schaltkreisfelder entfernt von dem Hohlraumspalt, so dass es zu keiner Wechselwirkung zwischen dem Strahl 310a und dem ersten Durchlassband 340 kommt.
Der Hauptvorteil der Verwendung der dritten Raumoberwelle 355 des zweiten Durchlassbandes 330 (bei einem invertierten Schlitzmodus) ist die Eignung für Breitband-, Hochfrequenz- und Hochleistungsauslegungen. Und zwar ist die so, weil das zweite Durchlassband 330 eine größere Bandbreite als das erste Durchlassband hat, wenn der Kopplungsschlitz klein ist (sowohl in der Länge als auch Höhe.) Der Betrieb mit dem zweiten Durchlassband 330 ergibt auch entweder höhere Frequenzen als die konventionelle Auslegung mit dem ersten Durchlassband bei gleicher Hohlraumgröße, oder größere Hohlraumgrößen, wenn die gleichen Frequenzen zu verwenden sind. Wie bereits erwähnt, ist bei Hochleistungsauslegungen die größere Hohlraumgröße (z.B. Schaltkreise, die über größere Hohlräume verfügen oder thermische widerstandsfähiger sind) wünschenswert. Somit ermöglicht ein Betrieb mit dem zweiten Durchlassband Breitbandhochleistungs-Auslegungen (durch Erlauben der Verwendung größerer Hohlraumgrößen) und/oder Breitbandhochfrequenz-Auslegungen (durch Erlauben der Verwendung der gleichen Hohlraumgröße).
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Art von Schaltkreisbetriebsdesign ist die Fähigkeit, flache Frequenzgänge zu erzeugen, da das Streuungsgefälle bei der dritten Raumoberwelle des zweiten Durchlassbandes leicht parallel zur Elektronenstrahllinie liegen kann (was zu einem Ausgang mit flacheren Frequenzgängen führt). Dementsprechend gilt, wie in 7 gezeigt, wenn eine Strahlenlinie 310b mit 23 kV und eine Strahlenlinie 310a mit 25 kV über die Streuungskurve für die zwei Durchlassbänder (330 und 340) gelegt wird, dass sich die beiden Elektronenstrahllinien (310a-b) gut mit dem Gefälle des zweiten Durchlassbandes 330 ausrichten.
Somit ist ein Betriebsdesign wünschenswert, das eine Strahlenlinie verwendet, die mit der dritten Raumoberwelle im zweiten Durchlassband eines invertierten Schlitzmodusschaltkreises in Wechselwirkung tritt (statt der konventionellen Betriebswechselwirkung mit dem ersten Durchlassband). Wieder wird dieses Betriebsdesign mit dem zweiten Durchlassband bevorzugt, da eine solche Wechselwirkung eine Verstärkung mit flacheren Frequenzgängen bei höheren Frequenzen, eine breitere Bandbreite und/oder höhere Leistungen ergibt. Um die Oszillation von im ersten Durchlassband 340 eingeschlossenem Strom zu vermeiden, sollte die Impedanz über beide Teile des Sperrbands abgestimmt sein, zusätzlich zu der Abstimmung entlang der Frequenzen von Interesse im zweiten Durchlassband 330.
Immer noch mit Bezug auf 7 sollte, um deutliche Oszillationen bei der Hohlraumresonanz 350 im zweiten Durchlassband bei höheren Spannungen (z.B. Strahlenlinie bei 27,5 kV) oder bei der Rückwärtswelle 360 nähe der Schlitzgrenzfrequenz 320 im ersten Durchlassband bei niedrigen Spannungen (z.B. Strahlenlinie bei 23,3 kV) zu vermeiden, die Elektronenstrahllinie (310a oder b) durch einen Bereich in der Nähe des ersten Durchlassbandes 340 bei βP/π = 2 geleitet werden (d.h. indem eine geeignete Strahlenlinienspannung und ein geeigneter Strahlenlinienstrom gewählt werden). Darüber hinaus kann der Betrieb an jeder Stelle außer genau bei βP/π = 2 im ersten Durchlassband 340 zu einem parasitären (ungewollten) HF-Ausgang in diesem Durchlassband 340 führen.
Für die Schaltkreisausführungsform in 6a-6c zeigen 8 und 9 die Einzelheiten der zwei häufigsten Oszillationen. 8 zeigt, dass, wenn die Elektronenstrahlspannung auf über 25 kV erhöht wurde (d.h. 27,5 kV), eine Wechselwirkung mit der Hohlraumresonanz um 25,3 GHz zu einer Oszillation führte. 29 zeigt, dass, wenn die Strahlspannung auf unter 24 kV (d.h. 23,3 kV) verringert wurde, eine Oszillation um 23,8 GHz auftritt, eine Frequenz, die der Rückwärtswellen-Oszillationswechselwirkung (BWO-Wechselwirkung) im ersten Durchlassband zugeordnet ist. Eine Zusammenfassung der Stabilitätsbereiche für den Schaltkreis in 6a-c (d.h. Bereiche zwischen den Gebieten, die zu Oszillationen führen) bei Strahlspannungen zwischen 22 kV und 28,5 kV und bei Strahlströmen zwischen 0,4 A und 1,6 A ist durch ein Diagramm in 10 gezeigt.
10 zeigt einen breiten Stabilitätsbereich für Niederspannungs-, Niederstrombetrieb und einen engen Bereich um 24,7 kV für höhere Strahlströme, die verwendet werden können, um mit der dritten Raumoberwelle im zweiten Durchlassband in Wechselwirkung zu treten. Der enge Bereich wird enger, wenn der Strom zunimmt. Diese Verengung des Stabilitätsbereichs erfolgt, da, wenn die Strahlenlinie oben am ersten Durchlassband platziert wird, die Schlitzresonanzfrequenz genauer (unstabil) wird, wenn der Strahlenstrom zunimmt. Die Instabilität ergibt sich aus der Tatsache, dass, wenn der Strahlstrom erhöht wird, es zu einer entsprechenden Erhöhung des Wellenzahlbereichs kommt, über dem es zu einer instabilen Wechselwirkung kommen kann.
Nun wird Bezug auf 11 genommen. Ein rechteckiges Polstück 444 für einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis zeigt eine Blende 455 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die große dreieckige Öffnung 437 mit einer Breite W₂ an jedem Ende der Blende 455 erhöht sowohl die Bandbreite als auch die Impedanz des Schaltkreises. Dies ergibt sich, wie oben erwähnt, da eine breitere Blende die Leitung einer höheren Zahl von Frequenzen erlaubt. Die Blende 455 hat eine Blendenmittenbreite W₁. Der enge Abstand der Blendenmittenbreite W₁ erhöht die Blendenkapazität und verringert dabei die Blendenresonanzfrequenz, so dass der gekoppelte Hohlraumschaltkreis bezüglich ansteuerungsinduzierter Oszillationen stabil wird. Somit induziert die Blende 455 die Durchlassbandmodusinversion, so dass das Blendenmodusdurchlassband das erste Durchlassband ist und das Hohlraummodusdurchlassband das zweite Durchlassband ist. Darüber hinaus induziert die Form der Blende 455 die Durchlassbandmodusinversion, ohne dass eine übermäßige Länge der Blende erforderlich ist, wie in 3c für den Stand der Technik dargestellt ist, und somit kommt es zu keiner Verstärkung des Magnetflusses von den periodischen Permanentmagnet-Fokussierungsfeldern (PPM-Fokussierungsfeldern).
Wie in 11 zu sehen ist, hat die Blende 455 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine viel kürzere Blendenlänge relativ zum Umfang des Elektronenstrahltunnels 409 als typische Blenden aus dem Stand der Technik, wie in 3c dargestellt. Die Blende 455 erzeugt somit die Durchlassbandmodusinversion ohne die oben erläuterten Nachteile. Die kürzere Blendenlänge führt zu einem kürzeren Wärmestrompfad von der Elektronenstrahltunnelwand nach außen und somit wird die thermische Widerstandsfähigkeit des gekoppelten Hohlraumschaltkreises erhöht. Darüber hinaus verringert die kürzere Blendenlänge eine nennenswerte Zunahme transversaler Magnetfelder, wenn die Blende in einem Eisen-Polstück liegt.
Mit nunmehrigem Bezug 12a-b ist eine perspektivische Ansicht einer integralen Polstück-HF-Verstärkerröhre 420 gezeigt, bei der eine Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Röhre 420 umfasst mehrere nicht-magnetische Platten 418 und magnetische Platten 416 (auch als Polstücke bekannt), die abwechselnd zusammengesetzt und zu einer Einheit zusammengebaut werden. Die zusammengebaute Röhre 420 verfügt über Endplatten 412, die an Ende angebracht sind, und einen Elektronenstrahltunnel 409, der sich durch die Endplatten 412 und auf der vollen Länge durch die Röhre 420 erstreckt. Die Röhre 420 verfügt über eine Oberseite 423 und eine Unterseite 425 gegenüber der Oberseite 423, die eine ebene Oberfläche für die Befestigung eines Kühlkörpers bilden. Die Röhre 420 hat eine Seite 427 und eine zweite Seite 429 gegenüber der einen Seite 427, die mit den Rändern der nicht-magnetischen Platten 418 und den Polstücken 416 bündig sind, bis auf einzelne Polstücke 416, die sich von der einen Seite 427 und der zweiten Seite 429 nach außen erstrecken, um seitliche Ansätze 436 zur Verfügung zu stellen. Die seitlichen Ansätze 436 stellen eine Montageposition für die Installation von Magneten (nicht gezeigt) zur Verfügung. Eine ausführlichere Beschreibung von integralen Polstück-HF-Verstärkerröhren findet sich in den US-Patenten Nr. 5,332,947 und 5,534,750, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind. 13 stellt eine Explosionsansicht der integralen Polstück-HF-Verstärkerröhre 420 der 12a-b dar.
Die Polstücke 416 verfügen über eine Blende 455 (oder einen Schlitz oder eine Aussparung), die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an einem Rand angeordnet ist. Wie am besten in 13 gezeigt ist, erscheint die Position der Aussparung 455 im Polstück 416₁ an der Oberseite 423. Das nächste Polstück 416₂ hat eine Aussparung 455, die an der Unterseite 425 angeordnet ist. Das dritte Polstück 416₃ verfügt wieder über die Aussparung 455 an der Oberseite 423, ähnlich der des Polstücks 416. Alternativ könnten die Aussparungspositionen alle auf einer Seite bleiben (die eine Seite 427 oder die zweite Seite 429), an der Oberseite 423 oder Unterseite 425 der TWT 420, oder könnten eine Kombination der beiden Konfigurationen sein, die einen Teil der Aussparungen 455 an der Oberseite 423 angeordnet hat und einen Teil an der Unterseite 425. Somit kann die Aussparung 455 in einer Linie liegenden, versetzten, wechselnden Konfiguration angeordnet werden, oder in jeder Kombination der oben angegebenen Anordnung mit anderen geometrischen Anordnungen. Bei noch einer weiteren Ausführungsform könnte ein einzelnes Polstück 416 mehr als eine Aussparung 455 haben, zum Beispiel eine an beiden Enden des Polstücks 416.
Die Aussparungen (oder Blenden) 455 stellen einen Kopplungspfad für benachbarte Hohlräume 456 (siehe auch 12a) zur Verfügung, der in den nicht-magnetischen Platten 418 gebildet ist, die benachbart relativ zu den Polstücken 416 positioniert sind und sich mit den Polstücken 416 abwechseln. Der Hohlraum 456 kann an jedem Ende ähnlich der Aussparung 455 geformt sein, um die HF-Fortpflanzung zu unterstützen und darüber hinaus die gewünschten Eigenschaften zu fördern. Darüber hinaus wird ein kontinuierlicher Pfad 440, zu sehen in der Schnittzeichnung in 14, durch die Röhre 420 zur Verfügung gestellt, der eine Aussparungs- (oder Blendenform) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie in 11 verwendet.
Alternativ könnte zur Veränderung der HF-Fortpflanzungseigenschaften der Hohlraum 456 anstatt an der Oberseite 423 und Unterseite 425 sich zwischen der einen Seite 427 und der zweiten Seite 429 erstrecken, wie in 12b gezeigt ist. Auch die Richtung des Hohlraums könnte abwechseln zwischen einer ersten Richtung, die sich zwischen der Oberseite 423 und der Unterseite 425 erstreckt, und einer zweiten Richtung, die sich zwischen den Seiten 427 und 429 (nicht gezeigt) erstreckt. Darüber hinaus sollte auch klar sein, dass Hohlräume 456 sowohl in Polstücken 416 vorgesehen werden können als auch in den nicht-magnetischen Platten (nicht gezeigt). Ebenso könnten die Aussparungen 455 sowohl in den nicht-magnetischen Platten 418 als auch in den Polstücken 416 vorgesehen werden, um die gewünschten Eigenschaften der Röhre (nicht gezeigt) zu erzeugen. Deshalb gibt es, wie oben erwähnt, eine große Zahl von Anordnungen und Layouts für die Hohlräume 456 in Relation zu den Aussparungen 455, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den gekoppelten Hohlraumschaltkreis sind.
Es sollte auch klar sein, dass es viele Variationen der Blende 455 von 11 gibt, die in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind und die erforderliche kapazitive und induktive Beaufschlagung der Blende 455, der Hohlräume 456 und der Polstücke 416 bereitstellen würden, um den Hohlraummodus und die Schlitzmodusdurchlassbänder zu invertieren (z.B. Blende 220, gezeigt in 6c).
Nun erfolgt Bezug auf 15a-c. Hier ist ein gekoppelter Hohlraumschaltkreis 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Schaltkreis 400 umfasst einen Hohlraum 456, der zwischen zwei runden Polstücken 444 angeordnet ist. Jedes der Polstücke 444 enthält eine nierenförmige Blende 455a oder 455b. Ein Elektronenstrahltunnel 409 ist ebenfalls innerhalb des Schaltkreises 400 positioniert. Die Geometrien der Blenden 455a-b (z.B. die Enge der Blende), des Hohlraums 456, des Strahltunnels 409 und der Polstücke 444 (z.B. die Dicke der Wand der Polstücke) sollten die gewünschte auf den elektrischen Strom bezogenen Voraussetzungen oder die gewünschte induktive/kapazitive Wirkung ergeben. Bei dieser Ausführungsform besteht die gewünschte induktive/kapazitive Wirkung darin, dafür zu sorgen, dass der Schaltkreis die Durchlassbandmodusinversion induziert, ohne die übermäßige Länge der Blende zu erfordern, wie in 3c für den Stand der Technik dargestellt. Somit kommt es zu keiner Verstärkung des Magnetflusses von den periodischen Permanentmagnet-Fokussierungsfeldern (PPM-Fokussierungsfeldern). Dementsprechend ist eine bevorzugte Ausführungsform eines invertierten Schlitzmodusschaltkreises gezeigt. Darüber hinaus ist diese Schaltkreisausführungsform ein Schaltkreis mit versetztem Schlitz, da die Blende 455a sich an der Oberseite des Schaltkreises 400 befindet und die Blende 455b sich an der Unterseite des Schaltkreises 400 befindet.
16a-c zeigt eine zweite Ausführungsform des in 15a-c gezeigten gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Schaltkreis 400 einen Hohlraum 456, der zwischen zwei runden Polstücken 444 angeordnet ist. Jedes der Polstücke 444 enthält nun eine rechteckige Blende 455a oder 455b. Ein Elektronenstrahltunnel 409 ist ebenfalls innerhalb des Schaltkreises 400 positioniert. Die Geometrien der Blenden 455a-b (z.B. die Enge der Blende), des Hohlraums 456, des Strahltunnels 409 und der Polstücke 444 (z.B. die Dicke der Wand der Polstücke) sollten die gewünschte induktive/kapazitive Wirkung erzeugen, d.h. ähnlich der in 15a-c gezeigten Wirkung. Dementsprechend ist dieser Schaltkreis 400 eine alternative Ausführungsform des in 11a-c gezeigten invertierten Schlitzmodusschaltkreises. Darüber hinaus ist diese Ausführungsform ein Schaltkreis mit versetztem Schlitz, da die Blende 455a sich an der Obersei te des Schaltkreises 400 befindet und die Blende 455b sich an der Unterseite des Schaltkreises 400 befindet.
17a-c zeigen eine dritte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform enthält jedes der runden Polstücke 444 eine sich weitende, nierenförmige Blende 455a oder 455b.
18a-c zeigen eine vierte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform enthält jedes der runden Polstücke 444 eine sich weitende, rechteckige Blende 455a oder 455b.
19a-c zeigen eine fünfte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform ist der Schaltkreis 400 ein in einer Linie liegender Schlitzschaltkreis, da die nierenförmigen Blenden 455a und 455b sich an der Unterseite des Schaltkreises 400 befinden. Ein in einer Linie liegender Schlitzschaltkreis kann auch eine Ausführungsform haben, bei der sich beide Blenden an der Oberseite des Schaltkreises 400 befinden.
20a-c zeigen eine sechste Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Diese Ausführungsform zeigt einen in einer Linie liegenden Schlitzschaltkreis mit sich weitenden rechteckigen Blenden 455a und 455b.
21a-c zeigen eine siebte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform hat der Schaltkreis 400 einen Hohlraum 456, der nun zwischen zwei rechteckigen Polstücke 444 liegt. Jedes der Polstücke 444 enthält eine rechteckige Blende 455a oder 455b. Ein Elektronenstrahltunnel 409 ist ebenfalls innerhalb des Schaltkreises 400 angeordnet. Die Geometrien der Blenden 455a-b (z.B. die Enge der Blende), des Hohlraums 456, des Strahltunnels 409 und der Polstücke 444 (z.B. die Dicke der Wand der Polstücke) sollten die gewünschte induktive/kapazitive Wirkung ergeben, die ähnlich der in 15a-c gezeigten Wirkung ist. Dementsprechend ist der Schaltkreis 400 eine weitere alternative Ausführungsform eines Schaltkreises mit invertiertem Schlitzmodus. Darüber hinaus ist diese Ausführungsform eine Ausführungsform eines Schaltkreises mit versetztem Schlitz, da die Blende 455a sich an der Oberseite des Schaltkreises 400 befindet und die Blende 455b sich an der Unterseite des Schaltkreises 400 befindet.
22a-c zeigen eine achte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Schaltkreis 400 einen Hohlraum 456, der zwischen zwei rechteckigen Polstücken 444 angeordnet ist. Jedes der Polstücke 444 hat eine rechte Seite 460a und eine linke Seite 460b. Jedes der Polstücke 444 hat auch eine Blende 455a oder 455b, die zwischen der rechten Seite 460a und der linken Seite 460b liegt. Ein Elektronenstrahltunnel 409 ist ebenfalls innerhalb des Schaltkreises 400 positioniert. Die Geometrien der Blenden 455a-b (z.B. die Enge der Blende), des Hohlraums 456, des Strahltunnels 409 und der Polstücke 444 (z.B. die Dicke der Wand der Polstücke) sollten die gewünschte induktive/kapazitive Wirkung ergeben, die ähnlich der in 15a-c gezeigten Wirkung ist. Dementsprechend ist der Schaltkreis 400 eine weitere Ausführungsform des invertierten Schlitzmodusschaltkreises. Darüber hinaus ist diese Ausführungsform ein Schaltkreis mit versetztem Schlitz, da die Blende 455a sich an der Oberseite des Schaltkreises 400 befindet und die Blende 455b sich an der Unterseite des Schaltkreises 400 befindet.
23a-c zeigen eine neunte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform enthält jedes der Polstücke 444 eine sich weitende, von einer zur anderen Seite reichende Blende 455a und 455b.
24a-c und 25a-c zeigen eine zehnte bzw. elfte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Diese beiden Ausführungsformen sind ähnlich den in 21a-c und 22a-c gezeigten Ausführungsformen, außer dass die Ausführungsformen hier Blenden 455a-b enthalten, die sich an der Unterseite des Schaltkreises 400 befinden (d.h. diese Ausführungsformen sind somit Schaltkreise in Linienanordnung).
26a-c zeigen eine zwölfte Ausführungsform des gekoppelten Hohlraumschaltkreises 400. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Schaltkreis 400 nun einen nichteinheitlichen Kanal 556, der zwischen einem gewölbeartig gefalteten Wellenleiter 540a und einem Basis-Wellenleiter 540b liegt. Der gewölbeartig gefaltete Wellenleiter 540a hat eine Vorderseite 542a und eine Rückseite 542b. Die Vorderseite 542a hat eine rechte Seite 560a und eine linke Seite 560b. Eine Blende 555a ist zwischen der rechten Seite 560a und der linken Seite 560b der Vorderseite 542a positioniert. In entsprechender Weise hat die Rückseite 542b eine rechte Seite 565a und eine linke Seite 565b, und eine Blende 555b ist zwischen der rechten Seite 565a und 565b der Rückseite 542b positioniert. Ein Elektronenstrahltunnel 509 ist ebenfalls innerhalb des Schaltkreises 400 positioniert. Die Geometrien der Blenden 555a-b (z.B. die Enge der Blende), des Hohlraums 556, des Strahltunnels 509 und der Wellenleiter 540a-b (z.B. die Dicke der Wand der Wellenleiter) sollten die gewünschte induktive/kapazitive Wirkung ergeben, die ähnlich der in 15a-c gezeigten Wirkung ist.
Zusätzlich zu den verschiedenen oben gezeigten Ausführungsformen kann die vorliegende Erfindung mit einem oder mehren der heutzutage in Fachkreisen verwendeten Elektronenstrahl-Fokussierungssystemen verwendet werden, wie zum Beispiel: 1) Periodische Permanentmagnetfokussierung (PPM-Fokussierung), wobei die Eisen-Polstücke sich direkt durch den Elektronenstrahltunnel erstrecken; 2) PPM-Fokussierung, wobei die Eisen-Polstücke von dem Elektronenstrahltunnel beabstandet sind; 3) Kontinuierliche Permanentmagnetfokussierung; und 4) Elektromagnetfokussierung. 12a-b stellen ein Beispiel der ersten Art des Fokussierungssystems (als integrale Polstück-Struktur bezeichnet) dar, wo sich die Eisen-Polstücke direkt durch den Elektronenstrahltunnel erstrecken. Ein Beispiel der zweiten Art des Fokussierungssystems, bei dem die Eisen-Polstücke vom Elektronenstrahltunnel beabstandet sind, wird nachfolgend als Standard-Polstückstapel (oder Aufsteck-Polstückstapel) bezeichnet und ist in 27 gezeigt.
27 stellt eine seitliche Querschnittsansicht einer gekoppelten Hohlraum-TWT 630 mit einem Standard-Polstückstapel dar, der eine Blende gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein HF-Eingang 678 und ein HF-Ausgang 679 sind zusammen mit einem PPM-Polstückstapel 670 dargestellt, der von einem Elektronenstrahltunnel 677 beabstandet ist. Der mäandernde HF-Pfad 640 wandert durch die abgestimmten Hohlräume 676, die durch die Blenden 675 verbunden sind. Die Blenden 675 sind gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geformt (z.B. wie in 11 dargestellt). Die Enden der abgestimmten Hohlräume 676 in der Nähe der Blende können auch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geformt sein, um eine optimale HF-Fortpflanzung zu erleichtern, wie in Fachkreisen bekannt ist. Für die TWT 630 können die Blenden 675 und die abgestimmten Hohlräume 676 als Teile eines reinen Kupfer-Schaltkreises geformt werden, der in eine Anordnung integriert wird, die den PPM-Polstückstapel 670 enthält.
Die Verwendung des Standard-Polstückstapels wie in 27 statt der integralen Polstück-Struktur wie in 12a-b zur Erzeugung des Magnetfeldes ermöglicht die Entwicklung stärkerer Magnetfeldpegel und die Elimination transversaler Felder im Elektronenstrahltunnel 677. Darüber hinaus verringert der Standard-Polstückstapel von 27 die Zahl beginnender Sperrbänder, die bei der Bearbeitung laminierter Blöcke zur Herstellung des gekoppelten Hohlraumschaltkreises entstehen, wie bei der integralen Polstück-Struktur von 12a-b. Bei dem Entwurf eines Hochfrequenzverstärkers mit geringem Gewicht kann die integrale Polstück-Struktur für Niederspannungsanwendungen bevorzugt sein, während der Standard-Polstückstapel für Anwendungen mit höherem Strom bevorzugt sein kann.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch in Verbindung mit einem Klystron verwendet werden. Wie im Stand der Technik bekannt ist, können Aussparungen einen Teil der Hohlräume in einem Klystron koppeln. Die Aussparungen können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geformt sein, wodurch die Hohlräume als ein erweiterter Wechselwirkungs-Ausgangsschaltkreis für eine verbesserte Bandbreite dienen können.
Um den gekoppelten Hohlraumschaltkreis in Betrieb zu nehmen, wird der gekoppelte Hohlraumschaltkreis in einer Verstärkerröhre platziert, normalerweise zusammen mit einer Reihe anderer ähnlicher gekoppelter Hohlraumschaltkreise, um eine vollständige Verstärkeranordnung zu bilden. Die Verstärkerröhre 660, wie in 28 gezeigt, kann dann mit einer Elektronenkanone 662 und einem Elektronenstrahlkollektor 664 zusammengebaut werden. Die Elektronenkanone 662 verfügt über eine Katode 663, die Elektronen abgibt. Die Elektronen werden durch Fokussierungselektroden 667 und eine Anode 668 zu einem Elektronenstrahl 666 fokussiert. Ein Magnetfeld, das entlang dem Elektronenstrahltunnel 665 zur Verfügung steht, hält den Fokus des Elektronenstrahls 666 innerhalb der Röhre 660. Der Kollektor erhält und zerstreut die Elektronen, nachdem sie die Röhre 660 verlassen haben. Ein HF-Eingangsanschluss 661 und ein HF-Ausgangsanschluss 69 stehen für die Verstärkung eines HF-Signals zur Verfügung.
29 und 30 sind Graphen, die Leistungsdaten für einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verfügung stellen. 29 stellt die axiale Komponente des elektrischen Felds im Spalt des gekoppelten Hohlraumschaltkreises für eine Resonanzfrequenz bei 30 GHz dar. Die gleichen Amplituden, die einer Phasenverschiebung von 2π zwischen Hohlräumen entsprechen, identifizieren diese als Hohlraumresonanz. Die Hohlraumresonanz muss normalerweise ausgeglichen werden, wenn sie im selben Durchlassband wie die Betriebsfrequenzen auftritt. In diesem Fall arbeitet der Schaltkreis im Ku-Frequenzband unter Verwendung des Blendenmodusdurchlassbandes. Deshalb sind die Betriebsfrequenzen, da die Blende eine Durchlassbandmodusinversion erzeugt, weit unter dem Hohlraumdurchlassband, das die Hohlraumresonanz enthält, und es ist kein verlustbehaftetes Material innerhalb des gekoppelten Hohlraumschaltkreises erforderlich.
30 stellt die Frequenz als Funktion der normierten Wellenzahl (Wellenzahl β mal Schaltungsperiode P geteilt durch π) dar. Das Hohlraummodusdurchlassband und das Blendenmodusdurchlassband werden zusammen mit der langsamen Wellenstreuung für einen Elektronenstrahl dargestellt. Die Darstellung zeigt, wie die langsame Wellenstreuung einem Breitbandschaltkreis erlaubt, ansteuerungsinduzierte Resonanzen zu vermeiden. Da der Elektronenstrahl während der Wechselwirkung Energie verliert, verringert sich die Phasengeschwindigkeit der langsamen Raumbeanspruchungswellen, und die Neigung der Blendenmodusstreuungslinie der langsamen Wellen nimmt ab. Bei einem konventionellen Schaltkreis mit nicht invertiertem Schlitzmodus würde sich die Linie der Hohlraumresonanz nähern. Bei dieser Erfindung bewegt sich die Linie von der Hohlraumresonanz weg. Darüber hinaus zeigt die Darstellung, dass eine Blende (gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung) nicht nur für die Vorwärtswelle verwendet werden kann sondern auch für die Rückwärtswelle, wie in Fachkreisen bekannt ist.
Dementsprechend sind verschiedene Ausführungsformen eines gekoppelten Hohlraumschaltkreises mit invertiertem Schlitzmodus, der mit einem Elektronenstrahl mit dem zweiten Durchlassband (dem Hohlraumdurchlassband) eines HF-Signals in Wechselwirkung tritt, gezeigt. Da somit verschiedene Ausführungsformen des gekoppelten Hohlraumschaltkreises beschrieben wurden, sollte dem Fachmann klar sein, dass bestimmte Vorteile des enthaltenen Systems erzielt wurden. Es sollte auch anerkannt werden, dass daran verschiedene Änderungen, Anpassungen und alternative Ausführungsformen innerhalb des Umfangs und Sinngehalts der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Zum Beispiel wurde eine rechteckige Wellenleiterform dargestellt, um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen, aber es sollte klar sein, dass die oben beschriebenen Konzepte der Erfindung auch auf runde Wellenleiter oder andere in Fachkreisen bekannte Formen angewendet werden können. Die Erfindung wird weiter durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Mikrowellen-Elektronenröhre, umfassend: eine Elektronenkanone (662) zum Aussenden eines Elektronenstrahls (666); einen Kollektor (664), der von der Elektronenkanone (662) beabstandet ist, wobei der Kollektor (664) Elektronen des Elektronenstrahls (666) auffängt, der von der Elektronenkanone (662) ausgesendet wird; und eine Wechselwirkungsstruktur (200, 100), die einen elektromagnetischen Pfad definiert, entlang welchem ein angelegtes elektromagnetisches Signal mit dem Elektronenstrahl (666) in Wechselwirkung tritt, wobei die Wechselwirkungsstruktur (200, 100) darüber hinaus mehrere Hohlraumwände (210, 160) und mehrere Magnete umfasst, wobei die Hohlraumwände (210, 160) jeweils eine ausgerichtete Öffnung (270) haben, die einen Elektronenstrahltunnel bereitstellen, der sich zwischen der Elektronenkanone (662) und dem Kollektor (664) erstreckt, wobei der Elektronenstrahltunnel einen Elektronenstrahlpfad für den Elektronenstrahl (666) definiert, und die Magnete einen Magnetflusspfad zum Elektronenstrahltunnel bereitstellen; wobei die Wechselwirkungsstruktur (200, 100) darüber hinaus jeweilige, in ihr definierte Hohlräume (115) umfasst, die miteinander verbunden sind, um einen gekoppelten Hohlraumschaltkreis bereitzustellen, wobei die Hohlraumwände (210, 160) benachbarte Hohlräume (115) voneinander trennen, und die Hohlraumwände (210, 160) darüber hinaus jeweils eine Blende (140a, 140b) aufweisen, um das elektromagnetisches Signal durchzukoppeln; dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (140a, 140b) und die Hohlraumwände (210, 160) unter Verwendung einer geometrischen Formel so dimensioniert sind, dass die Wechselwirkungsstruktur (200, 100) einen invertierten Schlitzmodus zeigen kann, wobei der invertierte Schlitzmodus eine Hohlraumresonanzfrequenz aufweist, die wesentlich größer als eine entsprechende Blendengrenzfrequenz ist, wo bei die geometrische Formel umfasst:
worin A einen Radius des Strahltunnels darstellt, L eine effektive Länge der Blende (140a, 140b) darstellt, Weine Höhe der Blende (140a, 140b) darstellt, R einen Radius einer der Hohlräume (115) darstellt, die an die Blende (140a, 140b) gekoppelt ist, T eine Dicke einer der Hohlraumwände (210, 160) darstellt, die der Blende (140a, 140b) zugeordnet ist, G einen Spalt zwischen zweien der Hohlraumwände (210, 160) darstellt, und m einen Bruchteil eines in einer der Hohlräume (115) des gekoppelten Schaltkreises zirkulierenden Gesamtstroms darstellt, der auf nur eine Blende (140a, 140b) trifft.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 1, wobei die mehreren Magnete mehrere Permanentmagnete umfassen.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 1, wobei das elektromagnetisches Signal ein erstes Durchlassband und ein zweites Durchlassband umfasst, wobei das erste Durchlassband eine obere Bandgrenze hat, und das zweite Durchlassband eine erste, zweite und dritte Raumoberwelle sowie eine untere Bandgrenze hat; wobei die Hohlraumresonanzfrequenz der unteren Bandgrenze und die Blendengrenzfrequenz der oberen Bandgrenze zugeordnet ist; und wobei der Elektronenstrahl (666) mit der dritten Raumoberwelle des zweiten Durchlassbands in Wechselwirkung tritt.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 3, wobei der Elektronenstrahl (666) eine vorbestimmte Spannung hat.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 4, wobei die vorbestimmte Spannung des Elektronenstrahls (666) darüber hinaus so gewählt ist, dass der Elektronenstrahl (666) nahe der oberen Bandgrenze des ersten Durchlassbands in Wechselwirkung treten kann.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 3, wobei die Wechselwirkungsstruktur (200, 100) einen Bereich zulässiger Spannungen für den Elektronenstrahl (666) gewährt, um mit der dritten Raumoberwelle des zweiten Durchlassbands in Wechselwirkung zu treten.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 6, wobei der Elektronenstrahl (666) darüber hinaus einen vorbestimmten Strompegel aufweist und der Bereich zulässiger Spannungen kleiner wird, wenn der vorbestimmte Strompegel ansteigt.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 1, wobei die Blende (140a, 140b) eine Blendenkapazität (C_S) und eine Blendeninduktivität (L_S) hat, und die Blendenkapazität (C_S) und Blendeninduktivität (L_S) so gewählt sind, dass der invertierte Schlitzmodus gezeigt wird.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 8, wobei jede der Hohlräume (115) eine Hohlraumkapazität (C_C) und eine Hohlrauminduktivität (L_C) hat, und die Hohlraumkapazität (C_C) und Hohlrauminduktivität (L_C) so gewählt sind, dass der invertierte Schlitzmodus gezeigt wird.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 9, wobei die Blendenkapazität (C_S), die Blendeninduktivität (L_S), die Hohlraumkapazität (C_C) und die Hohlrauminduktivität (L_C) unter Verwendung einer Formel eines elektrischen Schaltkreises gewählt werden, wobei die Formel des elektrischen Schaltkreises umfasst:
worin L_S einen Induktivitätswert der Blende (140a, 140b) darstellt, C_S einen Kapazitätswert der Blende (140a, 140b) darstellt, L_C einen Induktivitätswert einer der Hohlräume (115) darstellt, der an die Blende (140a, 140b) gekoppelt ist, C_C einen Kapazitätswert des Hohlraums darstellt, und m einen Bruchteil eines in einem der Hohlräume (115) des Hohlraumschaltkreises zirkulierenden Gesamtstroms darstellt, der auf nur eine Blende (140a, 140b) trifft.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 3, wobei Impedanzen, die sich aus der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl (666) und dem angelegten elektromagnetischen Signal ergeben, abgestimmt sind.
Mikrowellen-Elektronenröhre nach Anspruch 11, wobei die Impedanzen Wechselwirkungen des Elektronenstrahls (666) mit dem zweiten Durchlassband und beiden Teilen eines Sperrbandes umfassen, die zwischen dem ersten und zweiten Durchlassband liegen.