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Anordnung zum Erzeugen; Verstärken oder Empfangen von. ultrahochfrequenten
elektromagnetischen Schwingungen E Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und
eine Elektronenröhre zum Senden, Ver--stärken oder zum Empfangen hochfrequenter
Schwingungen, insbesondere ultrahochfrequenter Schwingungen im Gebiet der Zentimeter-
oder Dezimeterwellen, wobei die clek= Irischen Felder in der Steuerzone (im allgemeinen
der Gitter-Kathoden-Raum). einerseits bzw. in der Fallzone (im allgemeinen der Gitter-Anoden-Raum)
anderseits in bestimmter Weise beeinflußt werden.
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Die Erfindung ist sowohl für eine einfache Gitterröhre als auch für
Mehrgitterröhren, beispielsweise eine Penthode, anwendbar, bei welcher der Kathode
ein besonderes Zuggitter und der Anode ein besonderes Schirmgitter vorgesetzt ist.
Die Steuerzone ist also nicht in allen Fällen mit dem Gitter-Kathoden-Raum und die
Fallzone der Elektronen-nicht stets mit dem Gitter-Anoden-Raum identisch. Die Steuerzone
wird dadurch gekennzeichnet, daßdas in ihr vorhandene elektrische Feld die Größe
des von der Kathode weggehenden. Elektronenstromes, der durch das Steuergitfer_hindurch
in der Richtung von -der Kathode nach der Anode geht, beeinflößt. Die Fallzone dagegen
ist diejenige ' Zone, in welcher die Elektronen,- nachdem sie das Steuergitter passiert
haben, sich. in der Richtung der Anode fortbewegen. , Sind die Elektroden einer
derartigen Röhre an Schwinggebilde, beispielsweise Zechersysteme; angeschlossen,
so können bei geeigneter-Ausbildung -dieser Schwinggebilde und bei geeigneter Wahl
der Elektrodengleichspannengen die Schwingungen dieser Schwinggebilde durch Elektronenströmungen
angefacht oder verstärkt werden.
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Zur. Anfachung oder Verstärkung ist es erforderlich, daß das elektrische
Wechselfeld in der Steuerzone und das entsprechende Feld in der Fallzone. miteinander
gekoppelt sind und die durch die. Elektrodenabstände sowie die Gleichspannungen
der Elektroden bestimmten Laufzeiten der Elektronen der Phase der Kopplung Rechnung
tragen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun Elektronenröhren, bei welchen
-Gitter und Anode relativ zur Kathode Wechselspannungen infolge hochfrequenter Schwingungen
annehmen können, die eine willkürliclie Phasenverschiebung zueinander haben. Gegenstand
der
Erfindung sind Mittel, um die Phasenverschiebung in eindeutiger-Weise herstellen
zu können.
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Die Einstellung einer solchen Phasenverschiebung läßt sich dadurch
erreichen, daß sowohl die Steuerzone -als auch die Fallzone der Elektronenströmung
einem oder mehreren Lechersystemen angehören. Um in der Steuer-und Fallzone möglichst
große Amplituden der elektrischen Feldstärke zu erhalten, ist es zweckmäßig, die
Lechersysteme derart anzuordnen, daß die beiden Zonen der Elektronenröhre sich in
der Nähe von Spannungsbäuchen der Lechersysteme befinden.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Anode, Gitter
und Kathode von Teilen der Leiter von Döppelleitersystemen; die aus Metallflächen,
wie Metallbändern, bestehen, gebildet sind, derart; daß Steuerraum (Gitter-Kathode)
und Fallraum (Gitter-Anode) der Elektronenströmung je einem Doppelleitersystem,
zweckmäßig an der Stelle eines Spannungsbauches; angehören; und daß die Doppelleitersysteme
an ihren dem Elektronenraum abgewandten Enden durch flanschartige Fortsetzungen
bzw. Umbiegungen der Leiter kapazitiv miteinander verbunden, insbesondere kurzgeschlossen
sind.
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Wie eingangs ausgeführt wurde, ist das Ziel der Erfindung die Herstellung
.einer eindeutig bestimmten Phasenlage der Wechselspannungen im Steuer- und im Fallraum
der Elektronenströmung. Die eorliegende Erfindung bietet eine sichere Gewähr dafür,
däß die gewünschten Phasenbeziehungen auch wirklich hergestellt werden.
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Es ist an sich bereits bekannt, an das Gitter und die Kathode sowie
an die Anode und die Kathode von Elektronenröhren je ein drahtförmig ausgebildetes
Lechersystem anzuschließen. Mit derartigen Lechersystemen lassen sich jedoch eindeutige
Phasenlagen nicht erzielen, da bei einer zur Vornahme der Rückkopplung notwendigen
Formgebung die Streustrahlung der Lechersy steme zu einer Spannungskopplung beider
Systeme führen würde, die das Innehalten einer eindeutig definierten, praktisch
durch die Länge des Lechersystems bestimmten Phasenlage unmöglich macht.
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Durch die flächenhafte bzw. bandförmige Ausbildung der Lechersysteme
wird eine derart unerwünschte Strahlungskopplung vermieden. Zur Erzielung einer
maximalen Kopplung ist "es erforderlich, der Kopplungskapazität zwischen den beiden
Lechersystemen einen dynamischen Wert von unendlich zu erteilen. Gleichzeitig ist
es dabei erforderlich, die Kapazität möglichst so auszubilden; däß ihre elektrische
Länge mindestens annähernd eindeutig vorausbestimmt werden kann. Wie oben ausgeführt,
wird zu diesem Zweck die Kapazität als flanschartige Fortsetzung bzw. Umbiegung
der Leitersysteme ausgebildet.
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Es sind fernerhin Elektronenröhren bekannt, bei denen der Schwingungskreis
als Fortsetzung der Elektroden äus&ebildet ist und innerhalb der Röhre angeordnet
ist. Jedoch ist bei dieser bekannten Anordnung irgendeine Kopplung zweier Lechersysteme
nicht vorgesehen.
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Bei Kopplung der beiden Lechersysteme durch stehende Wellen, wobei
das eine System das elektrische Feld in der Steuerzone, das andere das elektrische
Feld in der Fallzone beeinflußt, sind die beiden Fälle möglich, daß das elektrische
Feld der Steuerzone zum elektrischen Feld der Fallzone in gleicher bzw. Gegenphase
schwingt. Für die Bemessung der Länge der beiden Lechersysteme muß dabei nicht nur
die Frage' der gewünschten Phasenlage, sondern auch noch die Form berücksichtigt
werden. Insbesondere ergibt sich hierbei, daß ein System in Schleifenform nach Fig.
i anders zu bemessen ist als ein System in Spiralenform nach Fig.3. Da die Spannungen
an der Kathode um so kleiner werden, je größer man die Elektronenlaufzeit zwischen
Kathode und Anode z wählt, so ergeben sich aus der Möglichkeit der Einstellung der
Elektronenlaufzeit, die je in Abhängigkeit von der Phasenlage der Spannungen geregelt
werden muß, beträchtliche Vorteile für die praktische Ausbildung des Gerätes. Beispielsweise
ist es einfach, tragbare Einrichtungen, zu deren Betrieb man nur niedrige Spannungen
verwenden kann, dadurch zu schaffen, daß man z entsprechend groß wählt.
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In Fig. i ist ein derartiges System dargestellt. Die Lechersysteme
L1 und L2 bestehen aus zwei einander benachbarten Bändern, wie sie im Querschnitt
in Fig. z gezeigt sind. Zweckmäßig wählt man den Abstand der beiden Bänder im Verhältnis
zu ihrer Höhe klein, um die vom Lechersystein weggehende Streustrahlung niedrig
zu halten. Am offenen Ende sind die in der Fig. i als innere Leiter dargestellten
Bänder miteinander vereinigt und bilden das von geeigneten Durchtrittsöffnungen
durchbrochene Gitter G. Das Ende des anderen Leiters des Lechersystems L1 bildet
die Kathode K, das Ende des entsprechenden Leiters des Lechersystems L2 die Anode
Ä. Die einander entsprechenden Leiter von L1 und L2 sind durch eine Kapazität C
miteinander gekoppelt. Der dynamische Wert dieser Kapazitäten soll unendlich sein.
Dieses ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Bänder bei C rechtwinklig
zur Leitungsachse der Lechersysteme L1 und L2 abgebogen werden; zueinander parallel
laufen und die Längen der abgebogenen Stücke ein Viertel der Wellenlänge
betragen.
Die abgebogenen Teile bilden die Kapazität. Es entstehen nun bei Abstimmung der
Lechersysteme an den Punkten, wo die Lecher systenie an die Kapazität anschließen,
je ein Strombauch, an den freien Enden der Kapazitäten aber Spannungsbäuche. Wird
die Summe -der Längen der beiden Lechersysteme, beginnend von K über 11 nach A,
gleich 1/a oder einem ungeraden Vielfachen von d/2 gewählt, so sind offenbar bei
Schwingungen der Lechersysteme die elektrischen Feldstärken.in der Steuerzone und
in der Fallzone der Elektronen miteinander in Phase. Werden Gitter, Kathode, Anode
geeignete Gleichspannungen aufgeprägt, was wegen der nur kapazitiven Kopplung durch
die- Kapazitäten C möglich ist, so kann man bei entsprechender Bemessung der Laufzeiten
der Elektronen eine gute Anfachung des Lechersystems erhalten. Durch Einstellung
der Abstände zwischen Kathode und Gitter sowie Gitter und Anode bei Berücksichtigung
der Gleichspannungen, welche diesen Elektroden aufgeprägt werden, ist es z. B. möglich,
zu erreichen, daß die Elektronen ungefähr. die Hälfte ihrer Laufzeit in der Steuerzone,
die andere Hälfte der Laufzeit in der Fallzone sich aufhalten.
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Eine andere ähnliche Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Nur sind
hier im Gegensatz zu Fig.a die freien Enden der beiden Lechersysteme räumlich nicht
um 18o° phasenverschoben, sondern räumlich gleichgerichtet aneinandergefügt.. Will
man in -diesem Fall erreichen, daß die Felder in der Steuer- und in der Fallzone
der Elektronen, wie in Fig. i, miteinander schwingen, so ist erforderlich, die Summe
der Längen beider Lechersysteme nun nicht gleich einem ungeraden, sondern gleich
einem geraden Vielfachen der halben Wellenlänge zu machen.
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Die Durchtrittsöffnungen in dem als Gitter dienenden Band, sowohl
bei dem Lecher-System in Form einer Schleife als auch bei dem Lechersystem in Form
einer Spirale, können als Fenster in diesem Band ausgeführt sein. Um den Durchgriff
der Anode durch das Gitter nach der Kathode unterhalb einer gewissen Grenze, zu
halten, empfiehlt es sich, Drähte als ein Parallelgitter oder ein Sieb mit einer
großen. Zahl von Maschen in dieses Fenster einzusetzen. -Die Stromzuführung zu den
Elektroden wie auch die Befestigung der Elektroden geschieht am besten in den Spannungsknoten
der Lechersysteme. Statt in Spannungsknoten der Lechersysteme können die Anschlüsse
der Stromzuleitungen auch in Spannungsbäuchen angebracht werden, doch muß in diesem
Fall der Wellenwiderstand der Stromzuleitungsdrähte groß gewählt werden gegen-,über
dem" `Wellenwiderstand des Lechersystems. Um zu verhüten, daß merkliche Anteile
von Strahlungsenergie über diese Zuführungen abwandern, können in ihnen Drosselspulen
oder in geeignetem Abstand Reflexionsplatten angebracht werden. Da die Lechersysteme
an sich nur sehr geringe Strahlungsdämpfungen haben, ist es in all- den Fällen,
wo ein- derartiges System an ein Strahlungsfeld, sei es als Sender oder Empfänger,
angekoppelt werden soll, notwendig, beispielsweise einen frei strählenden elektrischen
oder magnetischen Dipol an die Lechersysteme anzuschließen. Es kann dieses bei Anordnungen
wie in den @Fig. i und 3 dadurch geschehen, daß in einem Strombauch, der Lechersysteine
frei strahlende Dipole angeschlossen sind. Beträgt die Summe der Längen der beiden
Lechersysteine in Fig. i beispielsweise 342, so können derartig freistrahlende
Dipole, deren Achsen so gewählt werden, daß der elektrische Vektor des emittierten
Strahlungsfeldes auf der Ebene der Spirale senkrecht steht, an den Stellen X; die
um je 2/4. von den offenen Enden entfernt sind, angeschlossen sein. Es ist auch
möglich, den frei strahlenden Dipol in den Anschlußpunkten der Kapazitäten C an
die Lechersysteme zu verlegen. Beträgt in Fig. 3 die Gesamtlänge der beiden Lechersysteme
A, so ist wiederum möglich, den frei strahlenden Dipol an eine der Stellen X, die
einen Abstand gleich A/4 von den offenen Enden der Lechersystenie haben, anzulegen.
Um zusätzliche Schwingungen der Lechersysteme infolge der auf der Ebene der Lechersysteine
senkrecht stehenden freien Strahler zu verhüten, ist es notwendig, die Höhe h, iui
Fig. z, der Bänder, aus denen die Lechersysteme bestehen, klein zu halten gegenüber
der Wellenlänge.
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Eine besondere Ausführungsform derartiger Elektronenröhren besteht
darin, daß das aus den . beiden Lechersystemen und der Kopplungskapazität C bestehende
Schwinggebilde in das Innere des evakuierten Kolbens gebracht wird. Auch der frei
strahlende Dipol ist damit im Innern des Kolbens, und es wird von Vorteil sein,
um unsymmetrische Rückwirkungen der Glaswand auf die emittierte Raumwelle zu vermeiden,
den Strahler in der Mitte des Kolbens anzubringen.
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tine besondere konstruktive Ausführung besteht darin, daß die Lechersysteme
nicht aus relativ dünnen Blechbändern gebogen werden, sondern erzeugt werden durch
Zusaniinenfügen relativ massiger Körper;' zwischen welchen spaltförmige Zwischenräume
sind, die als Feldräume der Lechersysteme wirken.
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In Fig. q. ist eine-derartigeAnordnung dargestellt. K, G und A sind
wiederuni Kathode;
Gitter und Anode. Die Kathode sitzt an einem
massiven Körper i, de Anode an einem ebensolchen Körper .2 und das Gitter an einem
dritten Köper 3. Zwischen diesen drei Körpern bleiben Zwischenräume offen, die als
Lechersysteme L1 und L2 bzw: als Kopplungskapazität C in Betracht kommen. Eine'derartige
Ausführung erlaubt eine beträchtliche Erhöhung der Genauigkeit bei der Anfertigung
von Lechersystemen kleiner Abmessungen.
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Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens und der angegebenen Einrichtung
ist man in der Lage, eine bedeutende Erhöhung der. Schwingungsleistung von Elektronenröhren
zu erzielen.
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Die Art und Weise, wie sich die gesamte Elektronenlaufzeit z von der
Kathode bis zur Einode auf die Steuerzone und die Fallzone aufteilt, hängt ab i.
von den Abständen Gitter-Kathode und Gitter-Anode, a. von den Gleichspannungen,
welche Gitter und Anode relativ zur Kathode aufgeprägt werden.
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Im Bestreben, maximale Schwingleistung zu erzielen, wie auch zur Erfüllung
beliebiger anderer technischer Effekte, kann es von Vorteil sein, den Abstand Gitter-Anode
vom Abstand Gitter-Kathode verschieden zu wählen.
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Wird die Höhe der Bänder entsprechend Fig, z, welche die Lechersysteme
bilden, längs ihrer ganzen Erstreckung überall gleich gewählt, so folgt aus der
Verschiedenheit der Abstände Gitter-Anode und Gitter-Kathode mit Notwendigkeit eine
Verschiedenheit des Wellenwiderstandes der Lechersysteme in der Steuerzone gegenüber
der Fallzone. Es folgt dann eine unregelmäßige Ausbildung der Schwingungen auf den
Lechersystemen, verursacht durch Teilreflexionen an all den Stellen, wo der Wellenwiderstand
in Richtung der Leitungsachse eine räumliche Änderung erfährt. Es ist daher von
Vorteil, falls der Abstand Gitter-Kathode von Gitter-Anode verschieden gewählt wird,
den Ab-
stands der beiden Leiter der Lechersysteme in kontinuierlicher Weise
vom Gitter-Anoden-Abstand zum Gitter-Kathoden-Abstand allmählich beispielsweise
abnehmen zu, lassen. Da der Wellenwiderstand jeden Querschnitts eines derartigen
aus zwei Bändern bestehenden Lechersystems in erster Näherung proportional ist dem
Verhältnis slh, wo h die Höhe der Bänder, s ihren gegenseitigen Abstand bedeutet,
empfiehlt es sich, gleichzeitig mit der kontinuierliche Abnahme des Abstandes s
vom Gitter-Anoden-Abstand bis zum Gitter-Kathoden-Abstand auch die Höhe h kontinuierlich
und allmählich abnehmen zu lassen, derart, daß in jedem Querschnitt der Lecliersysteme
das Verhältnis s1h und damit der Wellenwiderstand ein und denselben Wert beibehält.,
Ein System dieser Art hat trotz seines längs der Leitungsachse veränderlichen Querschnittes
dieselben einfachen Schwingungseigenschaften wie ein Lechersystem überall gleichen
Querschnitts: