DE69816912T2

DE69816912T2 - Kollektor mit hohem Wirkungsgrad für Wanderfeldröhren mit hohe Raumladungskonstante enthaltenden Strahlen

Info

Publication number: DE69816912T2
Application number: DE69816912T
Authority: DE
Inventors: Dan M. Goebel
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JP3020478B2; EP0883151A1; EP0883151B1; JPH1154054A; US6094009A; DE69816912D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wanderwellenröhren und insbesondere Kollektoren für Wanderwellenröhren.
STAND DER TECHNIK
Eine beispielhafte Wanderwellenröhre (TWT) 20 ist in 1 dargestellt. Die Elemente der TWT 20 sind allgemein entlang einer TWT-Achse 22 koaxial angeordnet. Die Elemente umfassen eine Elektronenstrahlkanone 24, eine "Slow-Wave"-Struktur 26 (Ausführungsformen davon sind in 2a und 2b dargestellt), eine Strahlfokussierungsanordnung 28, die die Slow-Wave-Struktur umgibt, einen Mikrowellensignal-Eingangsanschluss 30 und einen Mikrowellensignal-Ausgangsanschluss 32, die an einander gegenüberliegenden Enden der Slow-Wave-Struktur 26 angeschlossen sind, und einen Kollektor 34. Ein Gehäuse 36 ist üblicherweise vorgesehen, um die TWT-Elemente zu schützen.
Im Betrieb schießt die Elektronenstrahlkanone 24 einen Elektronenstrahl in die Slow-Wave-Struktur 26. Der Elektronenstrahl hat einen vorgegebenen Energiepegel. Die Strahlfokussierungsanordnung 28 führt den Elektronenstrahl durch die Slow-Wave-Struktur 26. Ein Mikrowelleneingangssignal 38 wird am Eingangsanschluss 30 eingegeben und bewegt sich entlang der Slow-Wave-Struktur 26 zum Ausgangsanschluss 32. Die Slow-Wave-Struktur 26 sorgt dafür, dass die Phasengeschwindigkeit (d. h. die axiale Geschwindigkeit der Phasenfront des Signals) des Mikrowelleneingangssignals sich der Geschwindigkeit des Elektronenstrahls annähert.
Als Ergebnis werden die Elektronen des Strahls in Bündeln Geschwindigkeits-moduliert, wobei die Bündel mit dem langsameren Mikrowellensignal interagieren. Bei diesem Vorgang wird kinetische Energie von den Elektronen auf das Mikrowellensignal übertragen, was eine Verstärkung des Signals bewirkt. Das verstärkte Signal wird vom Ausgangsanschluss 32 als Mikrowellenausgangssignal 40 abgenommen. Nach dem Durchlaufen der Slow-Wave-Struktur 26 werden die Elektronen im Kollektor 34 gesammelt.
Die Menge an kinetischer Energie, die von den Elektronen auf das Mikrowellensignal übertragen wird, ist etwa konstant bei niedrigen Leistungspegeln des Mikrowellensignals. Somit ist die Verstärkung zwischen dem Mikrowellenausgang und dem Eingangssignal konstant. Wenn die Leistung des Mikrowellensignaleingangs erhöht wird, werden nichtlineare Effekte spürbarer. Schließlich erreicht das Mikrowellenausgangssignal einen maximalen Leistungswert, und die TWT arbeitet in Sättigung.
Wenn die Sättigung erreicht wird, ist das Verhältnis zwischen dem Mikrowellenausgangssignal und dem Eingangssignal nichtlinear. Falls die Leistung des Mikrowelleneingangssignals weiter über die Sättigung erhöht wird, sinkt die Leistung des Mikrowellenausgangssignals und die Verstärkung. Eine TWT, die unterhalb ihres gesättigten Mikrowellenausgangs-Leistungspegels arbeitet, wird als gegenüber der Sättigung zurückgesetzt (backed-off) arbeitend bezeichnet. Der Betrag des Zurücksetzens bzw. Abstands ist die Differenz in dB zwischen den Leistungspegeln des Mikrowellenausgangssignals zurückgesetzt und in der Sättigung.
Eine TWT, die gegenüber der Sättigung mit zumindest 3 dB zurückgesetzt arbeitet, liefert eine sehr hohe Verstärkungs- und Phasenlinearität, die für Kommunikationsanwendungen erforderlich sind.
Die Strahlfokussierungsanordnung 28 ist so konfiguriert, dass sie ein Magnetfeld zum Führen des Elektronenstrahls durch die Slow-Wave-Struktur 26 entwickelt. Eine erste Konfiguration umfasst eine Reihe von ringförmigen koaxial angeordneten Permanentmagneten 42, die durch Polstücke 44 getrennt sind. Magnete 42 sind so angeordnet, dass benachbarte Magnetflächen die gleiche magnetische Polarität haben. Die Strahlfokussierungsanordnung ist verhältnismäßig leicht und wird als periodische Permanentmagnet(PPM)-Anordnung bezeichnet. In TWTs, bei denen die Ausgangsleistung wichtiger ist als die Größe und das Gewicht, ersetzt häufig eine zweite Konfiguration die PPM mit einem Solenoid 46 (teilweise benachbart dem Eingangsanschluss 30 gezeigt), der einen Strom trägt, der von einer Solenoid-Energieversorgung (nicht gezeigt) geliefert wird.
Wie in 2a und 2b gezeigt, empfangen die TWT-Slow-Wave-Strukturen allgemein einen Elektronenstrahl 48 von der Elektronenstrahlkanone 24 in einer sich axial wiederholenden Struktur. Eine erste beispielhafte Slow-Wave-Struktur ist ein Wendelelement 50, das in 2 gezeigt ist. Eine zweite beispielhafte Slow-Wave-Struktur ist mit einer Kavitäts-Schaltung 52 gekoppelt, die in 2b gezeigt ist. Die gekoppelte Kavitäts-Schaltung 52 umfasst ringförmige Stege 54, die axial beabstandet sind, um Kavitäten 56 auszubilden. Jeder der ringförmigen Stege 54 bildet ein Kopplungsloch 58, das ein Paar benachbarter Kavitäten bzw. Hohlräume koppelt. Das Wendelelement 50 ist speziell für Breitbandanwendungen geeignet, während die gekoppelte Kavitäts-Schaltung 52 speziell für Hochleistungsanwendungen geeignet ist.
Die Elektronenstrahlkanone 24, das Wendelelement 50 und der Kollektor 34 sind nochmals in der schematischen Darstellung des TWT in 3 gezeigt. Die Elektronenstrahlkanone 24 weist eine Kathode 60 und eine Anode 62 auf. Der Kollektor 34 besitzt eine erste ringförmige Kollektorstufe 64, eine zweite ringförmige Kollektorstufe 66 und eine dritte Kollektorstufe 68. Da die dritte Kollektorstufe 68 im Allgemeinen eine tassenähnliche oder eimerähnliche Form besitzt, wird sie manchmal auch als "Eimer" oder "Eimer-Stufe" bezeichnet.
Das Wendelelement 50 und ein Körper 70 der TWT 20 liegen auf Massepotential. Die Kathode 60 ist mit einer Spannung V_cath über eine Kathodenenergieversorgung 72 negativ vorgespannt. Eine Anodenenergieversorgung 74 ist auf die Kathode 60 bezogen und beaufschlagt die Anode 62 mit einer positiven Spannung. Diese positive Spannung baut ein Beschleunigungsgebiet 76 zwischen der Kathode 60 und der Anode 62 auf. Elektronen werden von der Kathode 60 emittiert und entlang des Beschleunigungsgebiets 76 beschleunigt, um einen Elektronenstrahl 48 zu bilden.
Wie zuvor mit Bezug auf die 1 beschrieben, wandert der Elektronenstrahl 48 durch das Wendelelement 50 und tauscht Energie mit einem Mikrowellensignal aus, das entlang des Wendelelements vom Eingangsanschluss 30 zum Ausgangsanschluss 32 wandert. Nur ein Teil der kinetischen Energie des Elektronenstrahls 48 wird im Energieaustausch übertragen. Das meiste der kinetischen Energie bleibt im Elektronenstrahl 48, wenn er in den Kollektor 34 gelangt. Der Elektronenstrahl, der in den Kollektor 34 gelangt, wird als verbrauchter Elektronenstrahl bezeichnet. Ein wesentlicher Teil der kinetischen Energie des verbrauchten Elektronenstrahls kann durch Abbremsen der Elektronen gewonnen werden, bevor sie von den Kollektorstufen eingesammelt werden.
Auf Grund ihrer negativen Ladung bilden die Elektronen des Elektronenstrahls 48 eine negative "Raumladung", die bewirkt, dass der Elektronenstrahl in Abwesenheit von jeglichen äußeren Beschränkungen radial zerstreut wird. Deshalb legt die Strahlfokussierungsanordnung 28 ein Magnetfeld an, das die radiale Divergenz der Elektronen beschränkt, indem sie sich spiralförmig um den Strahl bewegen.
Allerdings fällt der Elektronenstrahl 48 nicht länger unter diese Beschränkung, wenn er in den Kollektor 34 gelangt, und folglich beginnt er damit, sich radial zu zerstreuen. Zusätzlich bewirkt die Interaktion zwischen dem Elektronenstrahl 48 und dem Mikrowellensignal in der Slow-Wave-Struktur 26, dass die Elektronen eine "Geschwindigkeitsstreuung" besitzen, wenn sie in den Kollektor 34 gelangen, d. h. die Elektronen haben einen Bereich der Geschwindigkeiten und der kinetischen Energien. Abhängig vom Betrag der Interaktion können einige der Elektronen sowohl radiale als auch axiale Geschwindigkeitskomponenten besitzen. Kurz gesagt stört das Mikrowellensignal den Elektronenstrahl 48. Der Grad der Störung ist sehr viel größer bei Sättigung als im Backed-off- (zurückgesetzten) Betrieb.
Negative Spannungen werden an den Kollektor 34 angelegt, um eine Elektronenabbremsung zu erreichen. Das Potential des Kollektors 34 ist gegenüber dem des TWT-Körpers 70 "herabgesetzt" (d. h. relativ zu dem TWT-Körper negativ gemacht). Die kinetische Energiegewinnung wird ferner verbessert, indem ein mehrstufiger Kollektor verwendet wird, d. h. ein Kollektor 34, bei dem jede nachfolgende Stufe gegenüber dem Potential des Körpers von V_B herabgesetzt ist. Falls beispielsweise die erste Kollektorstufe 64 ein Potential V₁ besitzt, hat die zweite Kollektorstufe 66 ein Potential V₂, und die dritte Kollektorstufe 68 ein Potential von V₃ wobei diese Potentiale typischerweise zueinander in Bezug stehen über die Gleichung V_B = 0 > V₁ > V₂ > V₃, wie in 3 angegeben. Die Wirksamkeit des Kollektors im Sammeln der kinetischen Energie von dem verbrauchten Elektronenstrahl wird als Sammelwirksamkeit bzw. Sammeleffizienz bezeichnet.
Die Spannung V₁ an der ersten Kollektorstufe 64 wird ausreichend herabgesetzt, um die langsamsten Elektronen 80 im Elektronenstrahl 48 abzubremsen und sie auch noch einzusammeln. Falls diese Spannung V₁ zu niedrig ist, stößt die erste Stufe 64 die Elektronen 80 eher ab als dass sie sie einsammelt. Diese abgestoßenen Elektronen können dann zum TWT-Körper 70 strömen und die Effizienz der TWT 20 reduzieren. Alternativ können sie das Energieaustauschgebiet des Wendelelements 50 erneut erreichen und die Stabilität der TWT 20 reduzieren.
Ähnlich zu der ersten Kollektorstufe 64 werden aufeinanderfolgend herabgesetzte Spannungen an aufeinanderfolgende Kollektorstufen angelegt, um nacheinander schnellere Elektronen im Elektronenstrahl 48 abzubremsen (aber noch einzusammeln), beispielsweise werden Elektronen 82 von der zweiten Kollektorstufe 66 eingesammelt, und Elektronen 84 werden von der dritten Kollektorstufe 68 eingesammelt.
Im Betrieb werden die divergierenden Elektronen 80 mit niedriger kinetischer Energie von der zweiten Kollektorstufe 66 abgestoßen, was bewirkt, dass deren divergierender Weg geändert wird, so dass sie an der inneren Fläche der weniger herabgesetzten Kollektorstufe 64 gesammelt werden. Elektronen mit höherer Energie 82 werden von der Kollektorstufe 68 abgestoßen, die bewirkt, dass deren divergierende Wege so verändert werden, dass sie an der inneren Fläche der weniger herabgesetzten Kollektorstufe 66 gesammelt werden. Schließlich werden die Elektronen mit höchster Energie 84 abgebremst und von der Kollektorstufe 68 eingesammelt. Dieser Vorgang der Verbesserung der Effizienz der TWT 20 durch Abbremsen und Einsammeln aufeinanderfolgend schnellerer Elektronen mit aufeinanderfolgend größeren Herabstufungen bei aufeinanderfolgenden Kollektorstufen wird allgemein als "Geschwindigkeitssortierung" bezeichnet.
Um einen größeren Anteil der Energie des verbrauchten Elektronenstrahls wiederzugewinnen, müssen die Stufen so ausgelegt sein, dass sie die Elektronen in dem verbrauchten Strahl in verschiedene Energieklassen sortieren. Dann müssen die Elektronen in jeder Energieklasse an einer Kollektorstufe bei einer Spannung eingesammelt werden, die soviel wie möglich der Energie wiedergewinnt.
Der Gewinn in der Sammeleffizienz, der durch das Geschwindigkeitsortieren des Elektronenstrahls 48 realisiert wird, kann weiter mit Bezug auf die Stromflüsse durch eine Kollektorenergieversorgung 86 verstanden werden, die zwischen der Kathode 60 und den Kollektorstufen 64, 66 und 68 verbunden ist. Falls das Potential des Kollektors 34 dem des TWT-Körpers 70 entsprechen würde, würde der gesamte Kollektorelektronenstrom I_coll zurück zu der Kathodenenergieversorgung 72 fließen, wie durch den Strom 88 in 3 angedeutet, und die Eingangsleistung der TWT 20 würde im Wesentlichen das Produkt aus Kathodenspannung V_cath und dem Kollektorstrom I_coll sein.
Im Gegensatz dazu fließen die Ströme des Kollektors 34 durch die Kollektorenergieversorgung 86. Die Eingangsleistung, die jeder Kollektorstufe zugeordnet ist, ist das Produkt des Stroms dieser Stufe und dessen zugeordneter Spannung in der Kollektorenergieversorgung 86. Da die Spannungen V₁, V₂ und V₃ der Kollektorenergieversorgung 86 ein Bruchteil (beispielsweise im Bereich von 30 bis 70%) der Spannung der Kathodenenergieversorgung 72 sind, ist die TWT-Eingangsleistung wirksam verringert.
Um die Einsammeleffizienz zu erhöhen, ist es wünschenswert, dass soviel Elektronen wie möglich von den am meisten negativ herabgesetzten Stufen eingesammelt werden. Es ist ebenfalls wünschenswert, dass die Spannungen der am stärksten negativ herabgesetzten Stufen einen so großen Bruchteil der Span nung der Kathodenenergieversorgung 72 wie möglich haben. Es ist ferner wünschenswert, dass viele Kollektorstufen in dem Kollektor eingesetzt werden, so dass viele unterschiedliche Spannungen entsprechend den Elektronenenergieklassen an die Stufen angelegt werden.
Die Effizienz von TWTs mit mehrstufigen Kollektoren liegt typischerweise im Bereich von 25 bis 60%, wobei eine höhere Effizienz allgemein mit einer niedrigeren Bandbreite verbunden ist. Diese Effizienz kann weiter verbessert werden, indem die Geschwindigkeitssortierung des Kollektors 34 gesteigert wird, und beträchtliche Anstrengungen wurden in Richtung dieses Ziels im Bereich des Kollektordesigns, der Simulation und des Prototyptestens unternommen.
US-A-4 096 409 offenbart einen Kollektor beispielsweise für eine Wanderwellenröhre, der sechs Kollektorstufen aufweist. Jede Kollektorstufe ist mit einer vorbestimmten Spannung vorgespannt. Der Spannungspegel verringert sich von der ersten Stufe benachbart dem Kollektoreingang in Richtung der nachfolgenden Stufen.
Ein Problem mit aufeinanderfolgend herabgesetzten Kollektorstufen, um einen Elektronenstrahl zur Rückgewinnung kinetischer Energie allmählich abzubremsen, besteht jedoch darin, dass dies eine hohe Perveanz und/oder signifikant gestörte Elektronenstrahlen bewirkt, die schnell divergieren. Perveanz ist ein Maß der Elektronenstrahlraumladung. Eine schnelle Divergenz beschränkt physikalisch die Fähigkeit des Elektronenstrahls, die am höchsten herabgesetzten Kollektorstufen zu erreichen, was die Kollektoreffizienz beschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrostatische Linse zur Fokussierung eines divergierenden Elektronenstrahls in Richtung der am höchsten herabgesetzten Stufen in einem Kollektor vorzusehen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrostatische Linse zur Fokussierung eines divergierenden Elektronenstrahls mit einer Perveanz von zumindest 0,25 μP in Richtung der am höchsten herabgesetzten Kollektorstufen in einem Kollektor vorzusehen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrostatische Linse zum Fokussieren eines divergierenden Elektronenstrahls in Richtung der am stärksten herabgesetzten Kollektorstufen in einem Kollektor einer Wanderwellenröhre vorzusehen, die gegenüber der Sättigung "backed off" (zurückgesetzt) arbeitet.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrostatische Linse zum Fokussieren eines divergierenden Elektronenstrahls mit einer Perveanz von zumindest 0,25 μA/V^1,5 (0,25 μP) in Richtung der am stärksten herabgesetzten Kollektorstufen in einem Kollektor einer Wanderwellenröhre vorzusehen, die gegenüber Sättigung "backed off" arbeitet.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrostatische Fokussierungslinse in einem Kollektor mit zumindest sechs Kollektorstufen vorzusehen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrstufigen Kollektor vorzusehen, in dem eine Zwischenstufe negativer mit einer Spannung vorgespannt ist als eine nachfolgende Stufe.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrstufigen Kollektor vorzusehen, der die am meisten herabgesetzten Stufen mit einer Spannung vorgespannt hat, die 90% der Spannung der Kathodenenergieversorgung beträgt.
Beim Ausführen der vorherigen Aufgaben und anderen Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung einen Kollektor zum Einsammeln eines Elektronenstrahls in einer Wanderwellenröhre bereit. Der Kollektor weist ein Eingangsende auf zum Empfang des Elektronenstrahls aus der Wanderwellenröhre. Der Kollektor weist ferner eine Vielzahl von Stufen auf, die mit vorgegebenen Spannungen vorgespannt sind und die entlang einer gemeinsamen Kollektorachse angeordnet sind und an unterschiedlichen axialen Positionen bezüglich des Eingangsendes positioniert sind. Eine Stufe ist mit einer Spannung negativer vorgespannt als eine nachfolgende Stufe, die vom Eingangsende axial weiter weg positioniert ist, um eine elektrostatische Fokussierungslinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls in Richtung nachfolgender Stufen zu erzeugen, so dass die Einsammeleffizienz des Kollektors erhöht wird.
Vorzugsweise sind die Stufe, die mit einer Spannung negativer vorgespannt ist, und die nachfolgende Stufe, die weiter weg vom Eingangsende positioniert ist, direkt benachbart. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine magnetische Fokussierungsvorrichtung mit dem Kollektor zum Erzeugen eines axial ausgerichteten Magnetfelds innerhalb des Kollektors betrieben, um den Elektronenstrahl in Richtung der aufeinanderfolgenden Stufen zu führen.
Ferner stellt beim Ausführen der vorgenannten Aufgaben und anderer Aufgaben die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbessern der Einsammeleffizienz eines Kollektors einer Wanderwellenröhre bereit. Das Verfahren ist zum Einsatz mit einem Kollektor bestimmt, der ein Eingangsende zum Empfang eines Elektronenstrahls und eine Vielzahl von Stufen aufweist, die mit vorgegebenen Spannungen vorgespannt sind und entlang einer gemeinsamen Kollektorachse angeordnet sind und an unterschiedlichen axialen Positionen bezüglich des Eingangsendes angeordnet sind. Das Verfahren umfasst das Vorspannen einer Stufe mit einer Spannung negativer als bei einer nachfolgenden Stufe, die vom Eingangsende weiter weg positioniert ist, um eine elektrostatisch fokussierende Linse zum Fokussieren des Elektronenstrahls in Richtung nachfolgender Stufen zu erzeugen, um damit die Einsammeleffizienz des Kollektors zu erhöhen.
Die der vorliegenden Erfindung zukommenden Vorteile sind mannigfaltig. Die elektrostatische Linse erhöht den Strombetrag, der nahe des Kathodenpotentials gesammelt wird, was die Kollektoreffizienz erhöht. Die elektrostatische Linse ist für Elektronenstrahlen hoher Perveanz (>0,25 μA/V^1,5) (>0,25 μP), die schnell divergieren während des Abbremsens in typischen herabgesetzten Kollektoren, und für relativ ungestörte Elektronenstrahlen, die keine signifikante Energiestreuung aufweisen, die bewirken, dass einige Elektronen an der Linse reflektieren. Typische Kollektoren, die einen Elektronenstrahl mit einer Perveanz von 0,5 μA/V^1,5 (0,5 μP) empfangen, sind auf 85% der Einsammeleffizienz begrenzt. Im Gegensatz dazu hat der Kollektor der vorliegenden Erfindung mit der elektrostatischen Fokussierungslinse eine 90- bis 96-prozentige Einsammeleffizienz.
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung, die angehängten Ansprüche und begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer herkömmlichen Wanderwellenröhre (TWT);
2a stellt eine herkömmliche Slow-Wave-Struktur in Form eines Wendelelements zur Benutzung in der TWT von 1 dar;
2b stellt eine andere herkömmliche Slow-Wave-Struktur in Form einer gekoppelten Kavitätsschaltung zur Benutzung in der TWT von 1 dar;
3 ist eine schematische Ansicht des TWT von 1, die einen mehrstufigen Kollektor zeigt;
4 ist ein Diagramm der Energiestreuung eines Elektronenstrahls für eine TWT, die bei Gleichspannung, im Back-off-Zustand und in Sättigung arbeitet;
5 ist ein Diagramm der Einsammeleffizienz eines Kollektors einer Wanderwellenröhre, die bei Gleichspannung und Back-off arbeitet, als Funktion der Anzahl der Kollektorstufen;
6 zeigt das Ausbreitungsmuster eines 0,1 μA/V^1,5 (0,1 μP) Gleichspannungs-Strahls für einen sechsstufigen zylindrisch symmetrischen Kollektor;
7 stellt das Ausbreitungsmuster eines 1 μA/V^1,5 (1,0 μP) Gleichspannungs-Strahls für den sechsstufigen zylindrisch symmetrischen Kollektor dar;
8 zeigt Äquipotentialflächen jeder Stufe des sechsstufigen zylindrisch symmetrischen Kollektors;
9 zeigt Äquipotentialflächen jeder Stufe des Kollektors der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Kollektors der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt den Strom, der von jeder Stufe der bevorzugten Kollektorausführungsform als Funktion der Spannung einer Zwischenstufe gesammelt wird;
12 zeigt die Einsammeleffizienz der bevorzugten Kollektorausführungsform als Funktion der Spannung einer Zwischenstufe; und
13 zeigt eine PPM-Magnetanordnung benachbart des Eingangs der bevorzugten Kollektorausführungsform.
DIE BESTEN MODI ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun auf 4 Bezug genommen. Ein Diagramm 90, das die Energiestreuung eines Elektronenstrahls für drei Wanderwellenröhren(TWT)-Betriebsmodi darstellt, ist gezeigt. Das Diagramm 90 umfasst eine Kurve 92 einer verbrauchten Elektronenstrahlkurve für eine TWT 20, die bei Gleichspannung arbeitet (an die TWT ist kein Mikrowellensignaleingang angelegt), eine Kurve 94 einer verbrauchten Elektronenstrahlkurve für die TWT, die bei 8 dB backed off gegenüber Sättigung arbeitet, und eine Kurve 96 einer verbrauchten Elektronenstrahlkurve für die TWT, die bei Sättigung arbeitet.
Der Gleichspannungs-Elektronenstrahl ist nicht gestört, da es kein an die TWT 20 angelegtes Mikrowellensignal gibt. Somit zeigt die Kurve 92, dass es eine minimale Energiestreuung gibt, die durch Faktoren bewirkt wird, die mit der Kathode 60 und den Beschleunigungsfehlern in der Elektronenstrahlkanone 24 verbunden ist. Vergleicht man die Kurven 94 und 96, zeigt sich, dass der Elektronenstrahl weniger gestört ist bei einem Backed-off-Betrieb im Vergleich zu einem Betrieb bei Sättigung. Die Kurve 94 zeigt, dass alle Elektronen zumindest 5 kV an Energie (zumindest 70% ihrer ursprünglichen Strahlenergie) besitzen und dass es eine Streuung in der Strahlenergie bis zu und über die ursprüngliche Kathodenspannung von 7 kV gibt. Die Kurve 96 zeigt, dass der Elektronenstrahl bei Sättigung eine hohe Energiestreuung besitzt, wobei einige Elektronen weniger Energie als die Kathodenspannung von 7 kV haben.
Ein Kollektor einer Wanderwellenröhre, die backed off oder bei Gleichspannung arbeitet, kann einen zunehmenden Prozentsatz der Energie des verbrauchten Strahls durch Erhöhen der Anzahl der Kollektorstufen wiedergewinnen. Die Erhöhung der Anzahl der Stufen ist wirksam, da der Elektronenstrahl minimal gestört wird und ein Teil des Strahls die zusätzlichen Stufen erreichen kann.
Die steigende Effizienz ist in 5 durch ein Diagramm 100 der Einsammeleffizienz als Funktion der Anzahl der Kollektorstufen gezeigt. Das Diagramm 100 umfasst Kurven 102 und 104 der Einsammeleffizienz einer Wanderwellenröhre, die bei Gleichspannung bzw. bei gegenüber Sättigung 8 dB backed off arbeitet. 5 schlägt vor, dass das Erhöhen der Anzahl der Kollektorstufen über 8 die Erhöhung der Einsammeleffizienz über 90% fortsetzen wird. Unglücklicherweise gilt dies nicht speziell für Strahlen mit einer Perveanz von zumindest 0,25 μA/V^1,5 (0,25 μP), da der Strahl divergiert und sich "aufbläst", wenn er die zusätzlichen Stufen erreicht. Allerdings liefert die vorliegende Erfindung eine elektrostatische Fokussierungslinse, um die Einsammeleffizienz des Kollektors bis über 90% zu erhöhen, indem ein Teil des Strahls gezwungen wird, die zusätzlichen Stufen zu erreichen.
Kurz gesagt muss zum Erhöhen der Einsammeleffizienz durch Erhöhen der Anzahl der Kollektorstufen der Elektronenstrahl gezwungen werden, sich in axialer Richtung ausreichend weit zu den letzten und am meisten herabgesetzten Stufen auszubreiten. Der axiale Abstand wird benötigt, um die Spannungspotentiale zwischen den Stufen auf Abstand zu halten und die Stufen nahe der Achse des Elektronenstrahls physikalisch zu platzieren, um die Elektronen einzusammeln. Die Elektronenstrahlen, die durch den Kollektor mit kleinem oder keinem eingrenzenden Magnetfeld wandern, tendieren dazu, sich auf Grund ihrer Raumladung radial auszudehnen. Zusätzlich wird der Elektronenstrahl auf einen kleinen Bruchteil seiner ursprünglichen Geschwindigkeit durch die elektrischen Felder in dem Kollektor verlangsamt, was die Raumladung weiter erhöht und den Strahl radial ausdehnen lässt. Die elektrischen Felder in dem Kollektor hängen von den Spannungen ab, die an die Stufen angelegt sind, und von der Geometrie der Stufen.
Bezug nehmend auf 6 ist das Ausbreitungsmuster eines 0,1 μA/V^1,5 (0,1 μP) Gleichspannungsstrahls für einen sechsstufigen zylindrisch symmetrischen Kollektor 110 gezeigt. Der Kollektor 110 weist Stufen 112(a–f) auf, die jeweils mit einer Vorspannungsspannung (nicht speziell gezeigt) verbunden sind und von einem keramischen Isolator 113 umgeben sind. Stufen 112 (a–f) sind entlang einer gemeinsamen Kollektorachse 115 angeordnet und in Richtung des Kathodenpotentials der Reihe nach vorgespannt (jede nachfolgende Stufe ist negativer als die vorhergehende Stufe). Die Stufen sind axial beabstandet, um die Vorspannungsspannung jeder Spannung voneinander fernzuhalten. Der Kollektor 10 umfasst ferner ein Eingangsende 117 zum Empfang des Elektronenstrahls von der TWT 20.
Bei ausgeschalteten Spannungen breitet sich der 0,1 μA/V^1,5 (0,1 μP) Gleichspannungs-Elektronenstrahl durch den Kollektor 110 in Richtung der Stufe 112f mit einer leichten radialen Ausdehnung aus, wie durch das Strahlprofil 114 gezeigt. Die radiale Ausdehnung ist leicht, da die Raumladung des Elektronenstrahls mit geringer Perveanz (0,1 μA/V^1,5) (0,1 μP) relativ klein ist.
Mit aufeinanderfolgenden Spannungen, die an die Stufen 112 (a–f) angelegt werden, breitet sich der 0,1 μA/V^1,5 (0,1 μP) Gleichspannungs-Elektronenstrahl durch den Kollektor 110 mit einer großen radialen Ausdehnung aus, wie durch die Strahlaußenlinie 116 gezeigt. Die große radiale Ausdehnung des Elektronenstrahls wird verursacht durch das Abbremsen des Strahls als Ergebnis der elektrischen Felder von den Stufen 112(a–f). Allerdings breitet sich der 0,1 μA/V^1,5 (0,1 μP) Gleichspannungs-Elektronenstrahl bis zu den letzten Kollektorstufen aus.
Allgemein steigt mit Ansteigen der Perveanz des Elektronenstrahls auch die radiale Divergenz des Strahls in dem Kollektor. Bezug nehmend auf die 7 ist nun das Ausbreitungsmuster eines 1,0 μA/V^1,5 (1,0 μP) Gleichspannungs-Elektronenstrahls für einen Kollektor 110 gezeigt. Bei keinen an die Stufen 112(a–f) angelegten Spannungen breitet sich der 1,0 μA/V^1,5 (1,0 μP) Gleichspannungs-Elektronenstrahl durch den Kollektor 110 in Richtung der Stufe 112f mit großer radialer Ausdehnung aus, wie durch das Strahlprofil 118 gezeigt ist. Die radiale Ausdehnung ist groß, da die Raumladung des Elektronenstrahls mit hoher Perveanz 1,0 μA/V^1,5 (1,0 μP) relativ groß ist. Mit aufeinanderfolgenden Spannungen, die an die Stufen 112 (a–f) angelegt werden, divergiert der 1,0 μA/V^1,5 (1,0 μP) Gleichspannungs-Elektronenstrahl schnell radial und bläst sich vor der dritten Stufe 112c auf, wie durch Strahl-Umrisslinie 112 gezeigt.
Zusätzlich zu der Raumladung, die eine radiale Ausdehnung des 0,1,0 μA/V^1,5 (0,1 μP) Elektronenstrahls bewirkt, sind die Stufen 112(a–f) üblicherweise von sich aus so entworfen, dass der Strahl defokussiert wird, um ein Sortieren der Elektronen zu unterschiedlichen Stufen zu unterstützen. Dies ist in 8 gezeigt, wo Äquipotentialflächen 122(a–f) jeder Stufe 112 (a–f) für den Kollektor 110 skizziert sind. Äquipotentialflächen 122(a–f) defokussieren den 0,1 μA/V^1,5 (0,1 μP) Elektronenstrahl, der in 6 eingeführt ist, und zwingen ihn radial nach außen, wie durch das Strahlprofil 124 gezeigt ist. Diese Defokussierungslinsenwirkung tritt auf, da die Stufen 112(a–f) normalerweise gegenüber der Kathode der Reihe nach vorgespannt sind, um den Strahl monoton zu verlangsamen, und die Stufen sind axial beabstandet, um die Vorspannungsspannungen jeder Stufe voneinander fernzuhalten. Das Defokussieren des Elektronenstrahls und die hohe Raumladung verursachen ein schnelles Ausdehnen des Strahls und führen dazu, dass der Elektronenstrahl nicht in der Lage ist, die stark herabgesetzten Stufen zu erreichen, was die Einsammeleffizienz beschränkt.
Die vorliegende Erfindung liefert eine elektrostatische Linse zum Fokussieren eines Elektronenstrahls, um die radiale Ausdehnung des Strahls zu begrenzen und den Strahl in Richtung der letzten stark herabgesetzten Stufen zu fokussieren. Dies erhöht die Einsammeleffizienz, indem die Elektronen an dem elektrischen Potential der letzten Stufen weiter abgebremst werden. Die elektrostatische Fokussierungslinse ist im Kollektor 110 positioniert, wo der Elektronenstrahl zu divergieren beginnt.
Die elektrostatische Fokussierungslinse wird physikalisch erreicht durch Einstellen der Vorspannungsspannung einer Zwischenstufe negativer als die Vorspannungsspannung einer nachfolgenden Stufe. Da beispielsweise der 1,0 μA/V^1,5 (1,0 μP) Strahl, der in 7 gezeigt ist, schnell im Bereich der drit ten Stufe 112c divergiert, ist die dritte Stufe negativer vorgespannt als die vierte Stufe 112d, um die Elektronen abzustoßen und sie zurück in Richtung der Achse durch den Kollektor 110 zu zwingen. In alternativen Ausführungsformen kann die Vorspannungsspannung der Zwischenstufe negativer sein als die Vorspannungsspannungen mehr als einer der nachfolgenden Stufen.
Das Fokussieren des Elektronenstrahls durch die elektrostatische Fokussierungslinse wird in 9 durch das Strahlprofil 128 dargestellt. Das defokussierte Strahlprofil 124 ist durch gestrichelte Linien zum Vergleich mit dem fokussierten Strahlprofil 128 gezeigt. Mit dieser Fokussierung dehnt sich der Elektronenstrahl nicht so schnell wie ein defokussierter Strahl aus. Somit sammeln die höheren Stufen, wie die Stufen 112e und 112f, einen beträchtlichen Betrag des Stroms nahe des Kathodenpotentials. Äquipotentialflächen 126(a–f) für Stufen 112(a–f) sind ebenfalls in 9 gezeigt. Es sei die Äquipotentialfläche 126c der dritten Stufe 112c bemerkt, die den Fokussierungslinseneffekt der stark herabgesetzten dritten Stufe zeigt.
Bezug nehmend auf die 10 ist ein Kollektor 140 mit zurückversetzten bzw. vertieften Stufen 142(a–f) gezeigt. Stufen 142(a–f) sind vertieft, so dass deren elektrische Feldprofile zu der Kante des Elektronenstrahls wie gewünscht isoliert sind. Die Äquipotentialflächen, die von den Stufen 142 (a–f) erzeugt werden, sind ebenfalls gezeigt. Die dritte Stufe 142c ist negativer herabgesetzt als die vierte Stufe 142d, um die elektrostatische Fokussierungslinse zu erzeugen, wie durch das Fokussierungslinsenprofil 144 gezeigt. Die elektrostatische Fokussierungslinse zwingt die Elektronen entlang des Kollektors 140 axial weg von den geringer herabgesetzten Stufen 142(a–c), so dass sie sich an den höher herabgesetzten Stufen 142(d–f) sammeln und abtasten.
Die Wirkung der über-herabsetzenden dritten Stufe 142c ist durch das Diagramm 150 von 11 gezeigt. Das Diagramm 150 weist Kurven des Kollektorstroms für einen Gleichspannungs-Elektronenstrahl auf, der von einer Stufe gesammelt wird, als eine Funktion der Vorspannungsspannung, die an die dritte Stufe 142c angelegt wird. Die Kurven 152, 154, 156, 158 und 160 stellen den Strom dar, der jeweils von den Stufen 142(a–f) gesammelt wird. Für dieses Beispiel wurde die Kathodenspannung zum Einschießen des Elektronenstroms auf –6,9 kV gesetzt. Die ersten beiden Stufen 142(a–b) wurden auf –5,0 kV vorgespannt, die vierte Stufe 142d wurde auf –6,3 kV vorgespannt, und die beiden letzten zwei Stufen 142(e–f) wurden auf –6,5 kV vorgespannt. Sobald die an die dritte Stufe 142c angelegte Vorspannungsspannung –6,6 kV übersteigt, was negativer ist als die Vorspannungsspannung von –6,3 kV der vierten Stufe 142d, wächst der Strom, der durch die letzten drei Stufen 142(d–f) gesammelt wurde. Der Elektronenstrahl wird nicht auf die ersten zwei Stufen 142(a–b) durch die elektrostatische Fokussierungslinse zurück reflektiert, da der Strom, der von den ersten zwei Stufen gesammelt wurde, nicht ansteigt. Dies zeigt, dass die elektrostatische Fokussierungslinse kein elektrostatischer Spiegel ist.
Bezug nehmend auf 12 ist die Einsammeleffizienz des Kollektors 140 durch Diagramm 170 gezeigt. Das Diagramm 170 umfasst eine Kurve 172 der Einsammeleffizienz als Funktion der Vorspannungsspannung, die an die dritte Stufe 142c angelegt wird. Die Einsammeleffizienz erhöht sich von 91,5% auf 96%, wenn die dritte Stufe 142c negativer als die vierte Stufe 142d vorgespannt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Einsammeleffizienz des Kollektors 140 weiter erhöht, indem ein magnetisches Feld in dem Kollektor erzeugt wird. Das magnetische Feld begrenzt die radiale Divergenz des Elektronenstrahls im Kollektor 140. Wie in 13 gezeigt, ist eine PPM-Magnetanordnung 141 benachbart dem Eingang des Kollektors 140. Die PPM-Magnetanordnung 151 erzeugt das Magnetfeld 153 und bewirkt dadurch eine Verbesserung des Elektronenstrahltransports in Richtung der höher herabgesetzten Stufen und eine Reduzierung des Strombetrags, der von den geringer herabgesetzten Stufen eingesammelt wird. Die Kombination des Magnetfelds und der elektrostatischen Linse im Kollektor 140 erhöht signifikant die Kollektoreffizienz.
Wie gezeigt, fokussiert die elektrostatische Fokussierungslinse in dem Kollektor den divergierenden Elektronenstrahl in Richtung der axial entfernt positionierten hoch herabgesetzten Stufen. Die elektrostatische Fokussierungslinse wirkt bei TWTs mit Strahlen hoher Perveanz (>0,25 μA/V^1,5) (>0,25 μP) und/oder bei TWTs, die mit zumindest 3 dB unterhalb der Sättigung arbeiten bei einer Elektronenstrahlleistung, die zumindest 20 mal größer ist als die Durchschnittsleistung des Mikrowellenausgangssignals. Auf Grund der Fokussierungswirkung können zusätzliche Stufen, die mit Spannungen größer als 90% des Kathodenpotentials vorgespannt sind, eingesetzt werden, um die Einsammeleffizienz eines Kollektors zu erhöhen.
Zusammenfassend weist der Kollektor 110 ein Eingangsende 117 zum Empfang des Elektronenstrahls 58 aus der Wanderwellenröhre 20 auf. Der Kollektor 110 besitzt auch eine Vielzahl von Stufen 112, die mit vorgegebenen Spannungen vorgespannt sind und entlang einer gemeinsamen Kollektorachse 115 angeordnet sind und an unterschiedlichen axialen Positionen bezüglich des Eingangsendes 117 positioniert sind. Eine Stufe ist mit einer Spannung negativer vorgespannt als eine nachfolgende Stufe, die vom Eingangsende 117 axial entfernter positioniert ist, um eine elektrostatische Fokussierungslinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls 48 in Richtung nachfolgender Stufen zu erzeugen, so dass die Einsammeleffizienz des Kollektors 110 erhöht wird.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung in unterschiedlichen Konstruktionen verwendet werden kann, die viele Alternativen umfassen, die für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sind. Demgemäß versteht sich, dass die vorliegende Erfindung all solche Alternativen umfasst, die innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Kollektor (110) zum Einfangen eines Elektronenstrahls (48) in einer Wanderwellenröhre (20), mit: einem Eingangsende (117) zum Empfang des Elektronenstrahls (48) aus der Wanderwellenröhre (20); einer Vielzahl von Stufen (112; 112a–f), die längs einer gemeinsamen Kollektorachse (115) angeordnet und in unterschiedlichen axialen Positionen mit Bezug auf das Eingangsende (117) positioniert sind, und einem Vorspannungsmittel zum Vorspannen der Vielzahl von Stufen mit vorgegebenen Spannungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannungsmittel dazu ausgelegt ist, eine Stufe gegenüber einer nachfolgenden Stufe, die in axialer Richtung weiter weg von dem Eingangsende (117) positioniert ist, mit einer Spannung negativer vorzuspannen, um eine elektrostatische Fokussierlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls (48) in Richtung nachfolgender Stufen zu erzeugen, um damit die Einfangeffizienz des Kollektors (110) zu erhöhen.
Kollektor (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Stufen (112) zumindest sechs Stufen (112a–f) aufweist.
Kollektor (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer Spannung negativer vorgespannte Stufe und die nachfolgende Stufe, die in axialer Richtung weiter weg von dem Eingangsende (117) positioniert ist, direkt benachbart sind.
Kollektor (110) nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch: eine magnetische Fokussiereinrichtung (151) zum Erzeugen eines Magnetfelds (153) innerhalb des Kollektors (110), um den Elektronenstrahl (48) in Richtung der nachfolgenden Stufen (112) zu führen.
Verfahren zum Verbessern der Einfangeffizienz eines Kollektors (110) einer Wanderwellenröhre (20), wobei der Kollektor (110) ein Eingangsende (117) zum Empfang eines Elektronenstrahls (45) und eine Vielzahl von Stufen (112), die entlang einer gemeinsamen Kollektorachse (115) angeordnet sind und in unterschiedlichen axialen Positionen mit Bezug auf das Eingangsende (117) positioniert sind, wobei das Verfahren durch den Schritt gekennzeichnet ist: Vorspannen einer Stufe mit einer Spannung negativer als eine nachfolgende Stufe, die in axialer Richtung weiter weg von dem Eingangsende (117) positioniert ist, um eine elektrostatische Fokussierlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls (48) in Richtung nachfolgender Stufen zu erzeugen, und damit die Einfangeffizienz des Kollektors (110) zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt: Bereitstellen der Stufe, die mit einer Spannung negativer vorgespannt ist, und der nachfolgenden Stufe, die in axialer Richtung weiter weg von dem Eingangsende (117) positioniert ist, direkt benachbart zueinander.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, ferner gekennzeichnet durch den Schritt: Erzeugen eines Magnetfelds innerhalb des Kollektors (110), um den Elektronenstrahl (48) in Richtung der nachfolgenden Stufen zu führen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (48) so ausgewählt wird, dass er eine Perveanz von zumindest 0,25 μA/V^1,5 (0,25 μP) besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderwellenröhre (20) zumindest 3 dB unterhalb der Sättigung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderwellenröhre (20) so betrieben wird, dass der Elektronenstrahl (48) zumindest zwanzig Mal die Leistung der Durchschnittsleistung eines Mikrowellensignals besitzt, das von der Wanderwellenröhre (20) ausgegeben wird.