DE69021290T2 - Mikrowellen-verstärker oder oszillator-anordnung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Mikrowellen-Verstärkervorrichtung sowie auf einen mit dieser Vorrichtung erhaltenen Oszillator.
• Um Mikrowellen zu erzeugen und zu verstärken, verwendet man bekanntlich Elektronenröhren mit Geschwindigkeitsmodulation, wie zum Beispiel Klystronröhren oder Wanderfeldröhren. Derartige Röhren enthalten eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erzeugt. Die Elektronen des Strahls unterliegen einer periodischen Geschwindigkeitsveränderung, die sie in bestimmten Raumzonen in Paketen zusammenrücken läßt. Diese Pakete regen impulsartig gemäß ihrer Eigenperiode die Oszillationen eines Mikrowellenkreises an (Resonanzhohlraum oder Resonanzleitung), indem sie die für ihre eigene kinetische Energie erforderliche Energie aufnehmen. Die Druckschrift FR-A-2 070 322 beschreibt eine solche Röhre.
• In den Elektronenstrahlen solcher Röhren ergeben sich erhebliche Raumladungseffekte. Diese Raumladungseffekte bestimmen für gegebene Spannungen einen Höchstwert des Stroms, der durch die Elektronenkanone erzeugt werden kann oder auch der in einem gegebenen Raum für eine Elektrodenanordnung gegebener Geometrie transportiert werden kann. Um in diesen Röhren zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich Verstärkungsgrad, Wirkungsgrad und Signalqualität zu erzielen, muß man den im Elektronenstrahl transportierten Strom auf einen Wert begrenzen, der mindestens eine Größenordnung unter der Maximalintensität liegt. Aus diesem Grund, und wegen des Prinzips der Geschwindigkeitsmodulation selbst, müssen diese Röhren lange Strahlen verwenden, die meist eine magnetisch Fokussierung erfordern. Diese Generatoren sind damit schwer und raumaufwendig.
• Außerdem gibt es Vorrichtungen unter dem Namen Vircator, die im Gegensatz zu den oben erwähnten Röhren die Raumladungswirkungen ausnützen. In einem Vircator wird ein Elektronenstrom, der meist ein Mehrfaches des maximalen Stroms beträgt, der tatsächlich durch einen Raum transportiert werden könnte, in diesen Raum injiziert. Damit ergibt sich eine Akkumulierung der Elektronen, die eine virtuelle Kathode bilden. Diese virtuelle Kathode ist instabil, d.h. sie schwingt im Raum und erzeugt so elektromagnetische Felder. Die Druckschrift US-A-4.730.170 beschreibt ein Beispiel eines solchen Vircators. Mit einer solchen Vorrichtung kann man hohe Mikrowellenenergien in einem kleinen Volumen erzeugen. Man muß jedoch feststellen, daß das ausgesendete Signal nur eine mittelmäßige Qualität besitzt, d.h. daß die Leistung in zahlreichen Schwingungsmodi und in einer Folge von gleichzeitigen oder aufeinander folgenden Frequenzen ausgesendet wird, weshalb die Anwendungen solcher Signale sich in Grenzen halten. Außerdem ist der Umwandlungs- Wirkungsgrad schlecht (in der Größenordnung von höchstens 2 bis 3%) im Vergleich zu dem Wirkungsgrad (oft über 40%), der mit aufgrund der Geschwindigkeitsmodulation wirkenden Röhren erreicht werden kann.
• Die vorliegende Erfindung hat die Verwendung einer Vorrichtung zum Ziel, die Mikrowellenenergie ausgehend von einem Elektronenstrahl erzeugen soll und die obigen Begrenzungen nicht aufweist, d.h. einen Umwandlungs-Wirkungsgrad der Energie des Elektronenstrahls in Mikrowellenenergie und eine Qualität des Sendesignals ergibt, die mit denen von Röhren auf der Basis der Geschwindigkeitsmodulation vergleichbar sind, während das Gewicht und das Volumen mit denen der Vircatoren vergleichbar ist.
• Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer Verstärkervorrichtung für Mikrowellen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
• Andere Gegenstände, Besonderheiten und Ergebnisse der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
• Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung.
• Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung, in der Mittel vorgesehen sind, um dem Elektronenstrahl eine Nachbeschleunigung zu verleihen.
• Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung, in der der verwendete Elektronenstrahl einen zylindrischen Vollquerschnitt besitzt.
• In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen.
• Figur 1 zeigt also eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung schematisch im Längsschnitt.
• Der erfindungsgemäße Generator besitzt eine um eine Längsachse ZZ drehsymmetrische Struktur. Er enthält eine Elektronenkanone 1, die von einer Kathode 11 und einer eine Armatur 20 und einen Schirm 21 enthaltenden Anode gebildet wird. Die Kathode 11 hat die Form eines leitenden Zylinders koaxial zur Achse ZZ. Der Rand der Kathode besitzt einen Vorsprung 10, so daß die von dieser Kathode ausgesendeten Elektronen einen Strahl mit ringförmigem Querschnitt bilden, der durch eine punktierte Zone 8 in der Figur angedeutet ist. Die Bewegungsrichtung der Elektronen des Strahls 8 ist durch Pfeile angedeutet. Die Armatur 20 der Anode besteht aus einem zur Achse ZZ der Kathode koaxialen Hohlzylinder und wird durch eine ringförmige Schulter 23 sowie einen scheibenförmigen Schirm 21 gebildet, zwischen denen ein Ringspalt 22 für den Durchlaß des Elektronenstroms 8 verbleibt. Der Schirm 21 ist beispielsweise mit drei Stegen an der Ringschulter 23 befestigt.
• Der erfindungsgemäß verwendete Generator besitzt weiter eine Ausgangsschaltung 4 für Mikrowellen, die in dieser koaxialen Ausführungsform von einem inneren leitenden Zylinder 5 und einem äußeren Leiter 40 gebildet wird, der sich in der Verlängerung der Armatur 20 befindet, wobei zwischen beiden ein Ringraum 44 definiert ist. Die Ausgangsschaltung ist im wesentlichen symmetrisch zur Elektronenkanone 1 bezüglich einer Symmetrieebene senkrecht zur Zeichenebene, d.h. daß der äußere Leiter 40 eine Ringschulter 43 und einen Schirm 41 enthält, der beispielsweise über Stege an der Schulter 43 befestigt ist und mit dieser Schulter einen Ringspalt 42 für den Elektronenstrahl 8 definiert. Letzterer wird von einem ringförmigen Vorsprung 50 des Innenleiters 5 empfangen.
• Zwischen den Elementen 21, 23 einerseits und 41, 43 andererseits liegt eine sogenannte Injektionszone 3. Diese Zone ist seitlich durch Verlängerungen 25 und 45 der Wände 20 und 40 begrenzt, wobei letztere aufgrund eines Spalts 71 keinen Kontakt miteinander haben.
• Der erfindungsgemäße Generator enthält weiter eine Mikrowellen-Modulationsschaltung 7, die in dieser Ausführungsform koaxial aufgebaut ist. Der zentrale Leiter der Schaltung wird von der Wand 40 und der Außenleiter von der Wand 70 in Form eines Hohlzylinders koaxial zur Achse Z gebildet, der mit der Wand 40 einen Ringraum 74 definiert, wobei der Außenleiter 70 an den Bereich 25 der Armatur 20 angeschlossen ist.
• Nun wird die Betriebsweise dieser Vorrichtung beschrieben.
• Legt man an die Kathode 11 eine negative Spannung bezüglich der Anodenspannung, dann ergibt sich eine Emission des ringförmigen Elektronenstrahls 8. Beispielsweise sind die Armatur 20, der Schirm 21 und die Elemente der Ausgangsschaltung 4 auf Massepotential, während an die Kathode 11 eine Spannung von -V&sub0; angelegt wird. Man legt vorzugsweise an die Struktur mit Hilfe nicht dargestellter Mittel ein magnetisches Längsfeld (entlang der Achse ZZ) an, um den so erzeugten Strahl 8 zu fokussieren.
• Nachfolgend wird der Mechanismus der Bildung einer virtuellen Kathode erläutert. In einem Elektronenstrahl existiert eine Raumladung. In der Strahlachse sind das Potential und die Geschwindigkeit der Elektronen niedriger als an der Peripherie. Wenn die Elektronendichte und damit der transportierte Strom zunehmen, verringern sich Potential und Geschwindigkeit der Elektronen bis auf Null. Die Elektronen bilden dann eine negativ geladene Wolke, die virtuelle Kathode genannt wird. Diese Elektronenwolke schwingt auf der Längsachse und führt zur Bildung eines elektromagnetischen Felds. Die Frequenz der Schwingungen hängt hauptsächlich vom injizierten Strom ab und liegt üblicherweise im Gigahertzbereich. Außerdem hängt die maximale Stromintensität, jenseits der die Elektronen eine virtuelle Kathode bilden, vom Potential des Elektronenstrahls sowie von den Abmessungen des Strahls und den Abmessungen der Injektionszone ab. Genauer betrachtet ist der maximale Strom für einen gegebenen Elektronenstrahl niedriger, wenn die Injektionszone 3 einen größeren Durchmesser besitzt.
• Erfindungsgemäß wählt man die Abmessungen der Vorrichtung (Elektronenkanone und Injektionszone) sowie den Strom des Elektronenstrahls so, daß der Strom knapp unter dem Maximalstrom liegt, der die Zone 3 durchfließen kann, ehe jenseits dieses Stroms eine virtuelle Kathode gebildet wird.
• Durch die Modulationsschaltung 7 wird ein elektrisches Wechselfeld erzeugt. Die Spannung zwischen den Bereichen 25 und 45 aufgrund dieses Felds muß eine hinreichend große Amplitude haben, damit bei einer Halbwelle der Elektronenstrahl 8 durch einen mit der virtuellen Kathode verknüpften Mechanismus gestoppt wird und nicht mehr die Ausgangsschaltung 4 erreicht, da die Elektronen dann von den die Injektionszone 3 umgrenzenden Wänden absorbiert werden. In der nächsten Halbwelle wird der Strahl zwischen diesen Elementen 25 und 45 wiederhergestellt. Der Strom des Strahls wird so in seiner Intensität mit der Frequenz des Modulationssignals moduliert. Die Ausgangsschaltung 4 wird dann durch den erwähnten modulierten Strom angeregt und bewirkt so die Umwandlung mindestens eines Teils der Energie der Elektronen des Strahls in Mikrowellenenergie. Die Schirme 21 und 41 haben wie üblich die Aufgabe, die streuenden Elektronen zu absorbieren. Es sei bemerkt, daß die Mikrowellen- Modulationsschaltung 7 und die Ausgangsschaltung 4 durch die geeignete Wahl ihrer Abmessungen genau die Frequenz des Modulationssignals und damit, was das eigentliche Ziel darstellt, die Frequenz des Ausgangssignals zu definieren erlauben, wodurch ein Signal hoher Qualität erhalten wird.
• Es sei weiter bemerkt, daß für eine zufriedenstellenden Betrieb eine vollständige Bildung einer virtuellen Kathode nicht notwendig ist. Die maximale Periode des Modulations-Wechselfelds kann nur einen Bruchteil der Zeit betragen, die zum Umschalten des Strahls zwischen dem durchgehenden Zustand und der virtuellen Kathode benötigt wird. In der Praxis kann die maximale Periode in der Größenordnung der Ausbreitungszeit der Elektronen in der Struktur liegen. Der hier beschriebene Generator ist wie ein Vircator besonders kompakt. Die Länge der Injektionszone 3, die durch die Schirme 21 und 41 begrenzt ist, beträgt nämlich in der Praxis etwa nur eine Betriebswellenlänge.
• Außerdem kann die Anwendung einer Gleichspannung V&sub0; technologische Probleme aufgrund der Größe der verwendeten Spannung (MV) und der verwendeten Ströme (kA) ergeben. Es ist dann möglich, Spannungsimpulse einer Dauer beispielsweise von etwa 100 ns zu verwenden, die an die Kathode beispielsweise über die koaxiale Struktur 12-20 übertragen werden. Die Dauer dieser Impulse bleibt lang im Vergleich zur Periode der erzeugten Impulse, die typisch in der Größenordnung von 100 ps liegt.
• Vorstehend wurde eine Vorrichtung beschrieben, die die Verstärkung des von der Modulationsschaltung gelieferten Signals bewirkt. Bekanntlich ist es aber auch möglich, mit dieser Struktur einen Oszillator zu realisieren, indem Mittel zur erneuten Injektion eines Teils des von der Ausgangsschaltung gelieferten Signals in die Modulationsschaltung hinzugefügt werden, wobei die erneute Injektion mit einer geeigneten Phase erfolgt, die bekanntlich von den Abmessungen der Schaltung abhängt. Die Mittel zur erneuten Injektion können beliebige bekannte Mittel sein, wie z.B. eine Kopplungsschleife, die in einer in der Wand 40 angebrachten Öffnung gebildet wird, oder eine außerhalb des dargestellten Generators liegende Schaltung.
• Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung, in der Nachbeschleunigungsmittel für den Strahl nach der Modulation vorgesehen sind, um den Wirkungsgrad der Anordnung zu verbessern.
• In dieser Figur sieht man wieder die Elektronenkanone 1, die Modulationsschaltung 7 und die Ausgangsschaltung 4, aber die ganze Ausgangsschaltung 4 wurde elektrisch gegen die vorher erwähnten Mittel isoliert.
• Genauer betrachtet gleicht die Kanone 1 der aus Figur 1, d.h. sie besteht aus der Kathode 11, der Armatur 20 und dem Schirm 21. Die Ausgangsschaltung 4 wird wie in Figur 1 auch durch den inneren zylindrischen Leiter 5 und den umgebenden Leiter 40, die Schulter 43 und den Schirm 41 gebildet. In dieser Ausführungsform wird jedoch die Injektionszone nicht mehr durch den Schirm 41 und die Schulter 43 abgeschlossen, sondern durch ein leitendes Element 61 ähnlich dem Schirm 41 und einen Außenleiter 60, der sich in der Verlängerung der Armatur 20 befindet und mit dieser den Schlitz 71 für den Anschluß der Modulationsschaltung bildet. Das Element 60 besitzt weiter einen ringförmigen Schlitz 62 mit dem Schirm 61, um den Elektronenstrahl 8 durchzulassen. Die Elemente 60 und 61 sind daher sowohl gegenüber der Kanone 1 als auch gegenüber der Ausgangsschaltung 4 isoliert.
• Im Betrieb werden wie oben eine Spannung -V&sub0; an die Kathode bezüglich der Anode, das Modulationssignal über die Schaltung 7 und außerdem eine Nachbeschleunigungsspannung +V&sub1; an die Ausgangsschaltung bezüglich der beispielsweise auf Anodenpotential liegenden Wand 60 angelegt. Auf diese Weise erfolgt eine Beschleunigung der Elektronen am Ausgang der Injektionszone 3.
• Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung, in der der Elektronenstrahl einen Vollzylinder bildet.
• In dieser Figur findet man beispielsweise dieselben Elemente wie in Figur 1 mit Ausnahme der Kathode der Kanone 1, des Innenleiters der Ausgangsschaltung 4 und der Schirme der Kanone und der Ausgangsschaltung.
• In dieser Ausführungsform ist die Emissionsoberfläche der Kathode 12 der Kanone 1 eine Scheibe, so daß sich ein vollzylindrischer Elektronenstrahl 80 ergibt. In gleicher Weise wird der Innenleiter 51 der Ausgangsschaltung 4 hier durch eine ebene, scheibenförmige Fläche gebildet. Die Schirme 21 und 41 aus Figur 1 wurden hier durch die Elemente 26 und 46 ersetzt, die durch Gitter oder hinreichend dünne Metallfolien gebildet werden, um ihre Absorptionswirkung auf die Elektronen gering zu halten.
• Es sei bemerkt, daß für einen zufriedenstellende Betrieb der Durchmesser der Kathode 12 deutlich geringer als die Wellenlänge der am Ausgang erhaltenen Mikrowellenenergie sein muß, beispielsweise nur etwa die Hälfte der Wellenlänge betragen darf.
• Die obige Beschreibung soll die Erfindung nicht eingrenzen. So wurden insbesondere die verschiedenen Mikrowellenschaltungen als koaxiale Schaltungen dargestellt, sie könnten aber auch durch Wellenleiter ersetzt sein.

Claims (9)

1. Verwendung einer Verstärkervorrichtung für Mikrowellen, die nacheinander aufweist:

- eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl (8) in einer Injektionszone (3) erzeugen kann,

- eine Mikrowellen-Modulationsschaltung (7), die eine Wechselspannung an die Injektionszone anlegen kann,

- eine Mikrowellen-Ausgangsschaltung (4), die zumindest einen Teil der Energie der Elektronen des Strahls in Mikrowellenenergie umwandeln kann,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Vorrichtung der vom Elektronenstrahl transportierter Strom geringer als der Maximalwert des Stroms ist, der in der Injektionszone transportiert werden kann, und daß die Wechselspannung eine ausreichend große Amplitude hat, um während einer ihrer Halbwellen die Bildung einer virtuellen Kathode auszulösen, die den Durchlaß der Elektronen verbietet, so daß der so vom Strahl transportierte Strom mit der Modulationsfrequenz der Wechselspannung moduliert wird, wobei die Ausgangsschaltung durch den erwähnten modulierten Strom angeregt wird.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine koaxiale Schaltung ist.

3. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltung eine koaxiale Schaltung ist.

4. Verwendung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Leiter (40) der Modulationsschaltung vom Außenleiter der Ausgangsschaltung gebildet wird.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung elektrisch gegenüber der Injektionszone isoliert ist und daß eine Elektronen-Beschleunigungsspannung zwischen die Injektionszone und die Ausgangsschaltung gelegt wird.

6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl ein Hohlzylinder ist.

7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl ein Vollzylinder ist.

8. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weiter Mittel zur erneuten Injektion eines Teils des von der Ausgangsschaltung gelieferten Signal in die Modulationsschaltung vorgesehen sind, so daß sich ein Oszillator ergibt.

9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Mittel zum Anlegen eines magnetischen Fokussierfeldes an den Elektronenstrahl vorgesehen sind.