DE69825218T2

DE69825218T2 - Optimal entworfene Wanderfeldröhre zum Betrieb unterhalb ihrer Sättigung

Info

Publication number: DE69825218T2
Application number: DE69825218T
Authority: DE
Inventors: Dan M. Goebel; Edward A. Adler
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: US5932971A; JPH1154056A; EP0883153B1; JP3096273B2; EP0883153A1; DE69825218D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wanderwellenröhren und insbesondere eine Wanderwellenröhre, die unterhalb ihrer Sättigung arbeitet und Wärmeübertragungs- und Magnetfokussierungskomponenten aufweist, die nur für den Backed-Off [unterhalb der Sättigung] Betrieb geeignet sind.
Stand der Technik
Eine Wanderwellenröhre, wie sie bspw. in US 3,755,706 A1 offenbart ist, ist eine Vakuumvorrichtung, die als Verstärker von Mikrowellenfrequenzenergie dient. Sie beruht auf der Interaktion, die zwischen einem Elektronenstrahl und einem Mikrowellensignal auftritt. Eine Elektronenkanone an einem Eingangsende einer Verlangsamungsstruktur (SWS; Slow Wave Structure) erzeugt den Elektronenstrahl. Der Elektronenstrahl wandert entlang eines axialen Pfades, der von der SWS gebildet wird. Eine Mikrowellenquelle gibt das Mikrowellensignal an dem Eingangsende der SWS ein. Das Mikrowellensignal pflanzt sich dann entlang der SWS in Richtung eines Ausgangsendes der SWS fort.
Die SWS lässt das Mikrowellensignal eine ausgedehnte Distanz zwischen zwei axial beabstandeten Punkten durchqueren. Dies reduziert die wirksame zeitliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mikrowellensignals von der von Licht auf die des Elektronenstrahls. Eine Interaktion zwischen dem Elektronenstrahl und dem Mikrowellensignal verursacht eine Geschwindigkeitsmodulation und ein Bündeln der Elektronen in dem Strahl. Die Interaktion verursacht eine Energiekopplung, die zwischen dem Elektronenstrahl und dem Mikrowellensignal auftritt, die das Signal verstärkt. Das verstärkte Signal wird dann aus dem Ausgangsende der SWS ausgekoppelt.
Auf Grund der großen Nähe zwischen dem Elektronenstrahl und der SWS trifft ein Teil des Strahls die SWS und erzeugt Wärme. Die Wärmemenge, die erzeugt wird, hängt auch von der Energie des Elektronenstrahls und dem Mikrowellensignal ab. Falls die Wanderwellenröhre diese Wärme nicht schnell genug entfernen kann, erreicht die Röhre eine ziemlich hohe Temperatur. Diese ziemlich hohe Temperatur erhöht elektrische Widerstandsverluste der SWS und unterstützt die Erzeugung von Gas. Dies wiederum verursacht eine Verschlechterung des verstärkten Mikrowellensignals sowie der Elektronenstrahlübertragung. Darüber hinaus reduzieren diese unerwünschten Phänomene die Lebensdauer der Wanderwellenröhre.
Um diese Wärmewirkungen zu lindern umfasst die Wanderwellenröhre Stützstäbe, die die Wärme von der SWS zu einem Röhrenelement führen, das die SWS umgibt. Die Stützstäbe erstrecken sich längs benachbart der SWS und sind zwischen der SWS und dem Röhrenelement platziert. Zusätzlich zu der Wärmeleitung tragen die Stützstäbe die SWS in dem Röhrenelement.
Auf Grund der Störung des Mikrowellensignals auf den Elektronenstrahl und von Raumladungseffekten, die sich aus einer gegenseitigen Repulsion zwischen benachbarten Elektronen ergeben, neigt der Strahl dazu, sich im Durchmesser längs der SWS zu vergrößern. Deshalb umfasst die Wanderwellenröhre ferner eine Magnetfokussierungsvorrichtung, um den Elektronenstrahl entlang des axialen Pfads einzuzwängen, um ein exzessives Auf schlagen von Elektronen auf die SWS zu verhindern. Die Magnetfokussierungsvorrichtung erzeugt ein Magnetfeld, das den Elektronenstrahl einschließt.
Eine typische Fokussierungsvorrichtung ist eine periodische Permanentmagnet (PPM) Anordnung. Die PPM Anordnung umfasst eine Vielzahl von ähnlichen kurzen ringförmigen Permanentmagneten, die in axialer Ausrichtung entlang und um die SWS angeordnet sind. Eine Vielzahl von ringförmigen ferromagnetischen Polstücken sind dazwischen angeordnet und grenzen an Magnete an. Die Magnete sind axial magnetisiert und mit gleichen Polen benachbarter Magnete angeordnet, die einander zugewandt sind.
Der Kopplungsbetrag zwischen dem Elektronenstrahl und dem Mikrowellensignal ist bei niederen Mikrowelleneingangssignalpegeln in etwa konstant. Somit ist die Verstärkung zwischen den Mikrowellenausgangs- und Eingangssignalen nahezu konstant. Wenn die Energie des Mikrowelleneingangssignals ansteigt, werden nicht-lineare Effekte stärker signifikant. Schließlich erreicht das Mikrowellenausgangssignal einen Maximal-Energiewert und die Wanderwellenröhre arbeitet in der Sättigung.
Nähert man sich der Sättigung beginnt die Verstärkung zwischen Mikrowellenausgangs- und Eingangssignal zu sinken. Falls die Energie des Mikrowelleneinganssignals weit über die Sättigung hinaus erhöht wird, fallen die Mikrowellenausgangssignalenergie und die Verstärkung. Eine Wanderwellenröhre, die unterhalb ihrer gesättigten Mikrowellenausgangsleistung arbeitet, ist als unterhalb [Backed-Off] der Sättigung laufend beschrieben.
Die Energie bzw. Leistung des Mikrowellenausgangssignals ist ebenfalls proportional zu der Elektronenstrahlenergie. Somit tritt eine Sättigung der Wanderwellenröhre auf unabhängig von der Energie des Mikrowelleneingangssignals, wenn die Energie des Mikrowellenausgangssignals etwa 25% – 30% der Energie des Elektronenstrahls ist.
Die magnetische Feldstärke der PPM Anordnung, die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls benötigt wird, ist eine Funktion der Energie des Mikrowellenausgangssignals. Bspw. stört bei Sättigung das Mikrowellensignal signifikant und beeinflusst den Elektronenstrahl. Durch die signifikante Störung und die gegenseitige Repulsionswirkung der Raumladung entwickeln einige der Elektronen in dem Elektronenstrahl eine große radiale Geschwindigkeitskomponente. Demgemäss wird ein starkes Magnetfeld, das von einer großen Anzahl von Magneten erzeugt wird, benötigt, um die radialen Geschwindigkeitskomponenten auszugleichen, so dass die Elektronen im wesentlichen axial durch die SWS wandern, ohne auf die SWS zu treffen.
Auf der anderen Seite, wenn unterhalb der Sättigung gearbeitet wird, ist die Wirkung des Mikrowellensignals auf den Elektronenstrahl minimal. Somit ist ein schwaches Magnetfeld, das von einigen Magneten erzeugt wird, ausreichend, um die radialen Geschwindigkeitskomponenten auszugleichen, die von den Raumladungswirkungen verursacht werden.
Typische Wanderwellenröhren werden gebaut, um die gewünschte gesättigte Mikrowellenausgangsenergie zu erzeugen und werden dann unterhalb ihrer Sättigung betrieben, um die gewünschte Amplitude und Phasenlinearität zu erhalten. Dies er fordert, dass die Stützstäbe in der Lage sind, die gesamte Wärmebelastung zu übernehmen, die von dem Elektronenstrahl und dem Mikrowellensignal bei Sättigung erzeugt wird. Die PPM Anordnung muss ebenfalls in der Lage sein, den Elektronenstrahl bei Sättigung einzugrenzen. Ein Hauptnachteil bei diesen typischen Wanderwellenröhren besteht darin, dass falls die Röhren kontinuierlich unterhalb ihrer Sättigung laufen, dann die gesamte Fähigkeit der Stützstäbe und der PPM Anordnung niemals genutzt werden und deshalb nicht benötigt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Demgemäss ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wanderwellenröhre vorzusehen, die eine verbesserte Amplituden- und Phasenlinearität liefert und Wärmeübertragungs- und Magnetfokussierungskomponenten besitzt, die nur für einen Backed-Off Betrieb geeignet sind.
Eine Wanderwellenröhre entsprechend der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zum Betreiben einer Röhre sind in Ansprüchen 1 bzw. 8 definiert.
Beim Ausführen der zuvor genannten Aufgabe und anderer Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung eine Wanderwellenröhre bereit. Die Wanderwellenröhre umfasst eine SWS, die innerhalb eines Röhrenelements vorgesehen ist. Die SWS ist mit einem Eingangsende zum Empfang eines Mikrowelleneingangssignals, das einen ausgewählten Energiepegel besitzt, und einem Ausgangsende versehen, um ein Mikrowellenausgangssignal mit einem vorgegebenen Energiepegel zu liefern. Eine Elektronenkanonenanordnung ist benachbart dem Eingangsende der SWS zum Einbringen von Elektronen als Elektronenstrahl entlang eines axialen Pfads in der SWS vorgesehen. Eine Magnetfokussierungsvorrichtung erzeugt ein Magnetfeld mit vorgegebener Stärke, um den Elektronenstrahl auf dem axialen Pfad zu begrenzen. Die vorgegeben Stärke des Magnetfelds ist ausreichend, um den Elektronenstrahl nur dann einzugrenzen, wenn der Energiepegel des Mikrowelleneinganssignals so ausgewählt ist, dass der gegebene Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals zumindest 6 dB niedriger ist als der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals bei Sättigung.
Vorzugsweise ist die SWS ein Wendelelement und die Wanderwellenröhre weist drei Bor-Nitrit (BN) Stützstäbe auf, die zwischen der Röhre und den Wendelelementen eingreifen, um das Wendelelement abzustützen und Wärme von diesem wegzutransportieren. Die drei BN Stützstäbe sind in „C" Richtung zwischen dem Wendel- und dem Röhrenelement ausgerichtet.
Beim Ausführen der zuvor genannten Aufgaben und anderer Aufgaben liefert die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Wanderwellenröhre. Das Verfahren ist für eine Wanderwellenröhre, die mit einer SWS versehen ist, die ein Eingangsende zum Empfang eines Mikrowelleneingangssignals mit einem ausgewählten Energiepegel und ein Ausgangsende zum Bereitstellen bzw. Liefern eines Mikrowellenausgangssignals mit einem vorgegeben Energiepegel aufweist.
Das Verfahren umfasst das Einspeisen bzw. Injizieren von Elektronen an dem Eingangsende der SWS, um einen Elektronenstrahl entlang eines axialen Pfads durch die SWS zu bilden. Das Mikrowelleneingangssignal mit dem ausgewählten Energiepegel wird dann an dem Eingangsende der SWS eingebracht. Ein Magnet feld mit einer vorgegeben Stärke wird dann erzeugt, um den Elektronenstrahl auf dem axialen Pfad zu begrenzen. Die vorgegebene Stärke des Magnetfelds ist ausreichend, um den Elektronenstrahl nur dann einzugrenzen, wenn der Energiepegel des Mikrowelleneingangssignals so ausgewählt ist, dass der vorgegebene Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals zumindest sechs dB geringer ist als der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals bei Sättigung.
Die der vorliegenden Erfindung zukommenden Vorteile sind zahlreich. Die Wanderwellenröhre wird nur im „Back-Off" (zumindest sechs dB unterhalb der Sättigung) betrieben, um eine ausreichende Amplituden- und Phasenlinearität für mehrere Tonkommunikationen bereitzustellen. Im Back-Off wird eine relativ kleine Wärmemenge erzeugt im Vergleich zu der Menge an Wärme, die bei Sättigung erzeugt wird. Somit weist die Wanderwellenröhre BN Stützstäbe auf, die in die „C" Richtung anstelle der „A" Richtung ausgerichtet sind. Die Größe des Stützstabs kann optimiert werden, um die minimale Wärme zu entfernen, die im Back-Off erzeugt wird. Ein schwächeres Magnetfeld und eine entsprechende reduzierte Anzahl von Magneten können ferner den Elektronenstrahl im Back-Off eingrenzen und fokussieren. Magnete stellen die dominanten Kosten der Wanderwellenröhre dar. Durch Reduzieren bzw. Verringern der Magnetfeldstärke, die für die Elektronenstrahlbegrenzung erforderlich ist, sinken die Kosten der Wanderwellenröhre beträchtlich.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei einer festen Verstärkung die Länge der Wanderwellenröhre verkürzt werden kann, indem eine hohe Strahlperveanz spezifiziert wird. Bei einer kürzeren Wanderwellenröhre kann die Magnetfeldstärke, die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls benötigt wird, reduziert werden.
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich besser verstehen mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung, die angehängten Ansprüche und die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht der Wanderwellenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht einer Wanderwellenröhre;
3 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die die Struktur der Wanderwellenröhre zeigt;
4 ist eine Querschnittsdarstellung der Wanderwellenröhre, die in 3 gezeigt ist, entlang der Linie 4-4;
5 ist eine Querschnittsdarstellung der Wanderwellenröhre, die in 1 gezeigt ist, entlang der Linie 5-5;
6 ist ein Diagramm, das die Temperatur des Wendelelements als Funktion der Energie darstellt, die auf das Wendelelement übergeht, für zwei Stützstabausrichtungen.
Die besten Modi zum Ausführen der Erfindung
Es wird nun Bezug genommen auf 1 und 2. Eine Wanderwellenröhre 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung ist gezeigt. Die Wanderwellenröhre 10 umfasst eine Elektronenkanonenanordnung 12, eine Slow Wave Struktur (SWS) 14, und eine Kollektoranordnung 16. Die Elektronenkanonenanordnung 12 injiziert Elektronen, um einen Elektronenstrahl 18 zu erzeugen. Die Elektronenkanonenanordnung 12 umfasst eine Katode 20 und eine Anode 22. Die Katode 20 wird mit einer negativen Spannung V_a beaufschlagt und eine entsprechende positive Spannung wird an die Anode 22 gelegt. Die Katode 20 ist die Elektronenquelle für den Elektronenstrahl 18. Eine Spannung V_h wird an das Wärmeelement 24 gelegt, das die Katode 18 für eine thermoionische Emission der Elektronen aus der Katode erhitzt. Die Anode 22 beschleunigt und fokussiert die Elektronen. Die Energie des Elektronenstrahls 18 hängt von der Katodenspannung V_a und dem Katodenstrom I ab.
Die SWS 14 ist vorzugsweise ein elektrisch leitendes Wendelelement 26 vorzugsweise aus Wolfram, Molybdän oder ähnlichem hergestellt. Natürlich kann die SWS 14 eine Schaltung mit gekoppelter Kavität (nicht spezifisch gezeigt) anstelle eines Wendelelements 26 sein. Das Wendelelement 26 besitzt ein Eingangsende 28 und ein Ausgangsende 30. Die Elektronenkanonenanordnung 12 ist benachbart dem Eingangsende 28 und der Elektronenstrahl 18 wandert entlang eines axialen Pfads 32 des Wendelelements 26 von dem Eingangsende 28 in Richtung des Ausgangsendes 30.
Eine Mikrowellenquelle 34 ist an dem Eingangsende 28 zum Anlegen eines Mikrowelleneingangssignals an das Wendelelement 26 angebunden. Das Mikrowellensignal pflanzt sich entlang des Wendelelements 26 fort. Das Wendelelement 26 lässt das Mikrowellensignal eine ausgedehnte Entfernung zwischen zwei axial beabstandeten Punkten wandern, um die wirksame seitliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mikrowellensignals auf die des Elektronenstrahls 18 zu reduzieren. Indem die Ausbreitungs- bzw. Fortpflanzungsgeschwindigkeit niedriger gemacht wird, findet eine Energiekopplung zwischen dem Elektronenstrahl 18 und dem Mikrowellensignal statt, die das Signal verstärkt. Eine Mikrowellenlast 36 ist am Ausgangsende 30 zum Empfang eines verstärkten Mikrowellenausgangssignals von dem Wendelelement 26 angeschlossen.
Die Kollektoranordnung 16 ist benachbart dem Ausgangsende 30 des Wendelelements 26. Die Kollektoranordnung 16 umfasst eine Anzahl von Kollektorelektroden 58a-n. Die Kollektorelektroden 58a-n sammeln Elektronen im Elektronenstrahl 18, um die Strahlenergie wiederzugewinnen, die zur Erzeugung des Mikrowellenausgangssignals nicht benutzt wurde. Diese Energie wird als die unbenutzte Energie in dem verbrauchten Elektronenstrahl bezeichnet. Einiges der unbenutzten Energie wird in Wärme umgewandelt, indem Elektronen auf die Kollektorelektroden 58a-n prallen. Deshalb werden Vorspannungsspannungen (V_ca, V_cb, V_cc, V_cd, und V_cn) an die jeweiligen Kollektorelektroden 58a-n angelegt, um die Elektronen abzubremsen, so dass es ermöglicht wird, dass Elektroden mehr Energie zurückgewinnen und die Wärmeenergieverluste reduzieren. Vorzugsweise enthalten die Kollektorelektroden 58a-n Graphit, um die Sekundärelektronenausbeute zu minimieren.
Bezugnehmend auf die 3 und 4 und weitere Bezugnahme auf die 1 und 2 umfasst die Wanderwellenröhre 10 ein metallenes Röhrenelement 38, das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt ist. Das Röhrenelement 38 besitzt eine innere Oberfläche 40, die einen Innenraum ausbildet. Das Wendelelement 26 ist im Inneren des Röhrenelements 38 vorgesehen. Das Wendelelement 26 weist eine Anzahl von Windungen 42 auf und erstreckt sich entlang der Längsrichtung des Röhrenelements 38.
Die Wanderwellenröhre 10 umfasst ferner drei Bor-Nitrit (BN) Stützstäbe 44, die zwischen der inneren Fläche 40 des Röhrenelements 38 und dem Wendelelement 26 vorgesehen sind. Jeder der BN Stützstäbe 44 besitzt eine innere Stab-Passfläche 46, um mit der äußeren Fläche des Wendelelements 26 zusammenzuwirken, und eine äußere Stabpassfläche 48, um mit der inneren Fläche 40 des Röhrenelements 38 zusammenzuwirken. Die BN Stützstäbe 44 übertragen Wärme weg von dem Wendelelement 26 zu dem Röhrenelement 38 und dann in die außenliegende Umgebung. Die BN Stützstäbe 44 liefern ebenfalls eine mechanische Abstützung des Wendelelements 26, so dass das Wendelelement bezüglich des Röhrenelements 38 stationär bleibt.
Wie am Besten in 1 und 2 gezeigt umfasst die SWS 14 eine Magnetfokussierungsvorrichtung, wie bspw. eine periodische Permanentmagnet (PPM) Anordnung 50. Die Magnetfokussierungsvorrichtung umfasst ebenfalls andere Alternativen, wie bspw. einen Solenoid oder einen einzelnen Permanentmagnet. Die PPM Anordnung 50 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 52 und eine Vielzahl von Polstücken 54 auf. Permanentmagnete 52 werden eingeführt und in eine Zelle 56 zwischen jeweiligen Polstücken 54 gestapelt, um eine ausreichende magnetische Flussdichte bereitzustellen, um ein Magnetfeld mit einer gewünschten Stärke zum Eingrenzen des Elektronenstrahls 18 zu erzeugen.
Die Stärke des Magnetfelds ist proportional zu der Stärke jedes Magnets 52 (gegeben durch das BH Energieprodukt) und die Anzahl der Magnete in jeder Zelle 56. Die Kosten der PPM Anordnung 50 sind proportional zu dem BH Produkt jeden Magnets 52 und der Gesamtzahl der Magnete. Ein Minimieren der gewünschten magnetischen Feldstärke in der Wanderwellenröhre 10 reduziert entweder das BH Produkt und/oder die Gesamtanzahl der Magnete und minimiert stark die Kosten der Wanderwellenröhre.
Die magnetische Feldstärke der PPM Anordnung 50, die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls 18 erforderlich ist, ist eine Funktion der Energie des Elektronenstrahls und des Mikrowellensignals. Bei Sättigung stört das Mikrowellensignal beträchtlich und beeinflusst den Elektronenstrahl 18. Demgemäss wird ein starkes Magnetfeld, das von einem großen BH Produkt erzeugt wird, und/oder eine große Anzahl von Magneten benötigt, um die Störung, die von dem Mikrowellensignal verursacht wird, auszulöschen.
Wenn unterhalb der Sättigung gefahren wird, ist die Störung und die Auswirkung des Mikrowellensignals auf den Elektronenstrahl 18 minimal. Tatsächlich besitzt der Elektronenstrahl 18 eine Charakteristik ähnlich der des Elektronenstrahls, der Auftritt, wenn die Mikrowellenquelle 34 ausgeschaltet ist. Wenn die Mikrowellenquelle 34 ausgeschaltet ist und kein Mikrowelleneingangssignal liefert, wird der Elektronenstrahl als DC [Gleichspannungs] Elektronenstrahl bezeichnet. Ein DC Elektro nenstrahl erfährt keine Störung. Folglich ist ein schwaches Magnetfeld, dass von einem kleinen BH Produkt und/oder einer kleinen Anzahl von Magneten erzeugt wird, ausreichend, um die minimale Störung zu löschen, die von dem Mikrowellensignal bei Unter-Sättigung verursacht wird.
Die Wanderwellenröhre 10 wird kontinuierlich unterhalb der Sättigung betrieben, um die gewünschte Amplituden- und Phasenlinearität zu erhalten, die für viele Tonkommunikationsanwendungen gefordert wird. Der Betrag der Unter-Sättigung ist die Differenz in dB zwischen der Ausgangsenergie des Mikrowellenausgangssignals und der Energie des bisherigen Mikrowellenausgangssignals. Die Wanderwellenröhre 10 wird kontinuierlich zumindest 6 dB unterhalb der Sättigung betrieben. Vorzugsweise wird die Wanderwellenröhre 10 so betrieben, dass die Mikrowellenausgangsenergie 6 bis 25 dB unterhalb der gesättigten Mikrowellenausgangsenergie liegt (oder zumindest 1 dB unterhalb des Verstärkungskompressionspunkts). Die Mikrowellenausgangsenergie ist ebenfalls etwa zwanzig bis fünfzigmal unterhalb der Energie des Elektronenstrahls 18. Somit ist die Störung des Mikrowellensignals auf den Elektronenstrahl 18 minimal.
Auf Grund der minimalen Störung bei Unter-Sättigung umfasst die PPM Anordnung 52 ein kleines BH Produkt und/oder eine geringe Anzahl von Magneten, die ein schwaches Magnetfeld erzeugen können, das ausreichend ist, um die minimale Störung auszulöschen, aber nicht ausreicht, um die beträchtliche Störung bei Sättigung auszulöschen. Anstelle einer Erzeugung eines starken Magnetfelds, das den Elektronenstrahl 18 bei Sättigung eingrenzen kann, erzeugt tatsächlich die PPM Anordnung 52 ein schwaches Magnetfeld, das ausreicht, um den Elektronenstrahl nur bei Untersättigung [Back-Off] einzugrenzen. Das schwache Magnetfeld ist nicht in der Lage, den Elektronenstrahl 18 bei Sättigung einzugrenzen.
Im Vergleich zur Sättigung führt ein Betrieb unterhalb der Sättigung zu einer nahezu 50%igen Verringerung der magnetischen Feldstärke, die zum Eingrenzen bzw. Begrenzen des Elektronenstrahls erforderlich ist. Anders als bei typischen Wanderwellenröhren werden somit die gesamten Fähigkeiten der PPM Anordnung 52 benutzt. Auf Grund der reduzierten Kosten, die mit der PPM Anordnung 52 verbunden sind, sind ferner die Kosten der Wanderwellenröhre 10 sehr viel geringer als die Kosten typischer Wanderwellenröhren.
Das Nachfolgende erläutert die beträchtliche Verringerung der magnetischen Feldstärke, die zum Begrenzen des Elektronenstrahls bei Unter-Sättigung erforderlich ist. Die absolut minimale magnetische Feldsstärke, die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls erforderlich sind, und Brillionfeld, B_B, genannt, ist gegeben durch:
wobei:

r: der Strahlradius ist,
I: der Strahlstrom ist,
η: das Verhältnis von Elektronenladung zur Masse ist,
ε₀: die Dielektrizitätskonstante des Vakuums ist,
u₀: die Strahlgeschwindigkeit ist.

Die magnetische Feldstärke, die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls bei Vorhandensein eines Mikrowellensignals erforderlich ist, ist gegeben durch:
wobei m der Eingrenzungsfaktor ist.
Der Eingrenzungsfaktor m wird ausgewählt derart, dass der Elektronenstrahl daran gehindert wird, sich dem Wendelelement während der Interaktion mit dem Mikrowellensignal zu nähern. Der Eingrenzungsfaktor m ist üblicherweise über einem Faktor Zwei für den Betrieb bei Sättigung. Bei einer PPM Anordnung, die einen Elektronenstrahl fokussiert, ist das Feld B_C das RMS (Root Mean Squared; quadratischer Mittelwert) Feld der periodischen Magnetstruktur.
Ein Beispiel ist ein 1 μperv Elektronenstrahl mit einem Radius (r) von 1 mm bei 7kV. Somit ist der Strahlstrom (I) 0,57 A. Aus Gleichung 1 ergibt sich die minimale Feldstärke B_B von 685 Gauss. Bei einer Wanderwellenröhre, die bei Sättigung betrieben wird, mit einem typischen Eingrenzungsfaktor (m) von Zwei, ist die Feldstärke (B_C), die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls bei Sättigung erforderlich ist, 1370 Gauss.
Bei einer Wanderwellenröhre, die zumindest 6 dB unterhalb ihrer Sättigung arbeitet, beträgt das erforderliche RMS Feld (B_C) 707 Gauss. Das ist nahezu die Hälfte des normalen Feldes, das bei Wanderwellenröhren eingesetzt wird, die bei Sättigung arbeiten, und stellt eine äquivalente 50%ige Verringerung der Kosten der Magnete für eine Röhre dar, die auf einen Betrieb bei Unter-Sättigung begrenzt ist.
Die Kosten und die Anzahl der Magnete kann weiter reduziert werden, indem die Länge des SWS 14 gekürzt wird, wenn die Verstärkung der Wanderwellenröhre 10 fest ist. Aus der Kleinsignalwanderwellenröhrentheorie entsprechend J.R. Pierce, ist die Länge (L) des Wendelelements proportional zu der Verstärkung dividiert durch die Kubikwurzel der Perveanz (P) des Elektronenstrahls.
Vorzugsweise ist die Verstärkung der Wanderwellenröhre 10 immer weniger als 40 dB. Bei einer relativ kleinen Verstärkung kann die Länge des SWS 14 gekürzt werden.
Bei einer festen Verstärkung kann die Länge weiter gekürzt werden, indem eine hohe Perveanz spezifiziert wird. Vorzugsweise wird die Perveanz der Wanderwellenröhre 10 auf einen relativ hohen Wert von zumindest 0,5 μperv gesetzt.
Somit kann bei einer kleinen Verstärkung und einer hohen Perveanz die Länge des SWS 14 minimiert werden. Ein Minimieren der Länge des SWS 14 reduziert das BH Produkt und/oder die Anzahl der Magnete, die zum Eingrenzen des Elektronenstrahls 18 erforderlich sind. Wie zuvor ausgeführt stellen die Kosten der Magnete die dominierenden Kosten einer Wanderwellenröhre dar.
Es wird nun Bezug genommen auf die 5. Eine Querschnittsansicht der SWS 14 einer Wanderwellenröhre 10 mit einer bevorzugten PPM Anordnung 16 ist gezeigt. Die PPM Anordnung 16 ist außerhalb der Vakuumumgebung des Röhrenelements 38 angeordnet und umfasst schmale scheibenförmige Magnete 62 anstelle von vollzylindrischen Magneten, wie Magnete 52, die in 2 gezeigt sind. Die scheibenförmigen Magnete bzw. Scheibenmagnete 62 sind nur 0,25" im Durchmesser, aber liefern einen ausreichenden magnetischen Fluss, um den Elektronenstrahl 18 während des Betriebs unterhalb der Sättigung einzugrenzen. Das magnetische Feld der Magnete 62 wird azimutal gleich gemacht innerhalb des Röhrenelements 38 durch die Polstücke 54, die zwischen jeder Magnetzelle in dem PPM Stapel positioniert sind. Selbstverständlich könnte die PPM Anordnung 60 auch Vollzylindermagnete oder andere Magnettypen umfassen.
Ein anderer Vorteil eines Betriebs unterhalb der Sättigung besteht darin, dass eine kleinere Wärmemenge erzeugt wird. Somit werden die BN Stützstäbe 44 für den Transport der geringeren Wärmemenge optimiert, die bei Unter-Sättigung erzeugt wird, weg von dem Wendelelement 26. Auf Grund der Optimierung sind die BN Stützstäbe 44 nicht in der Lage, eine größere Wärmemenge zu entfernen, die bei Sättigung erzeugt wird. Die BN Stützstäbe 44 besitzen eine relativ kleine Dielektrizitätskonstante und liefern minimale Dispersions- und Mikrowellenbelastungswirkungen auf das Wendelelement 26.
Die BN Stützstäbe 44 haben eine laminierte Struktur. Die Richtung parallel und die Richtung senkrecht zu den Schichten werden jeweils als „A" und „C" Richtungen bezeichnet. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der BN Stützstäbe 44 differieren in weitem Umfang zwischen der „A" und „C" Richtung. Bspw. ist die Wärmeleitfähigkeit längs der „A" Richtung fünf bis zehnmal besser als die Leitfähigkeit in „C" Richtung. Aus diesem Grund sind die BN Stützstäbe 44 normalerweise so ausgerichtet, dass die „A" Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Wendelelement ist, um die Schichten parallel zu dem Wärmefluss zu haben, um eine maximale Wärmemenge zu entfernen.
Allerdings sind in „A" Richtung ausgerichtete Stützstäbe anfälliger für Brüche aus der Druckkompression zwischen dem Wendelelement und dem Röhrenelement. Ein Bruch führt zu einem Versagen der Stützstäbe, und Gas gelangt in die Wanderwellenröhre. Dies kann zu einem Versagen der Wanderwellenröhre oder zumindest einer Betriebsunterbrechung führen, bis das Gas entfernt ist. Auf Grund der minimalen Wärmeübertragungserfordernisse sind deshalb die Stützstäbe 44 in „C" Richtung zwischen dem Wendelelement 26 und dem Röhrenelement 38 ausgerichtet. Bei dieser Ausrichtung ist die „C" Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Wendelelement. Ein Ausrichten der Stützstäbe 44 in „C" Richtung wäre unmöglich, falls die Wanderwellenröhre 10 bei Sättigung betrieben würde, da das Wendelelement 26 auf Grund der schlechten Wärmeleitung entlang der „C" Richtung überhitzen würde.
Es wird nun Bezug genommen auf die 5. Ein Diagramm 70 ist gezeigt, das die Temperatur des Wendelelements als Funktion der Energie darstellt, die auf das Wendelelement gelangt, für „A" und „C" ausgerichtete Stützstäbe. Das Diagramm 70 umfasst eine Kurve 72 für eine „C" Richtung des Stützstabs und eine Kurve 74 für eine „A" Richtung des Stützstabs. Wie in 6 gezeigt, ist, für eine vorgegebene Eingangsenergie auf ein Wendelelement, die Temperatur des Wendelelements bei einem „A" Richtungs-Stützstab geringer als die Temperatur bei einem „C" Richtungs-Stützstab. Bei Sättigung ist die gegebene Eingangsenergie des Wendelelements hoch. Indem die Wanderwellenröhre 10 in einem kontinuierlichen Modus unterhalb der Sättigung betrieben wird, ist die gegebene Eingangsenergie geringer. Im Unter-Sättigungsbetrieb können deshalb die Stützstäbe 44 in „C" Richtung ausgerichtet sein. Ferner kann die Dicke der Stützstäbe 44 minimiert werden, um die Mikrowellenlastwirkungen zu reduzieren, während sie weiterhin eine passende Wärmeübertragung und mechanische Abstützfähigkeit besitzen.
Wie gezeigt besitzt die Wanderwellenröhre 10 viele zugehörige Vorteile. Die Wanderwellenröhre 10 ist für einen kontinuierlichen Betrieb bei Unter-Sättigung [unterhalb ihrer Sättigung] ausgelegt. Somit wird eine reduzierte Anzahl von Komponenten für die PPM Anordnung 50 benötigt. Ebenfalls können die Stützstäbe 44 ausgerichtet sein, um Brüchen zu widerstehen, während sie weiterhin eine gute Wärmeübertragung bereitstellen.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Wanderwellenröhre 10, die eine Slow-Wave Struktur bzw. Verlangsamungsstruktur (SWS) aufweist, wie bspw. ein Wendelelement, das ein Eingangs- und ein Ausgangsende besitzt und innerhalb eines Röhrenelements angeordnet ist. Eine Elektronenkanonenanordnung ist benachbart dem Eingangsende zum Injizieren von Elektronen als Elektronenstrahl entlang eines axialen Pfads durch das Wendelelement angeordnet. Eine Magnetfokussierungsvorrichtung erzeugt ein Magnetfeld mit vorgegebener Stärke, um den Strahl einzugrenzen. Die gegebene Stärke des Magnetfelds ist ausreichend, um den Strahl nur dann einzugrenzen, wenn der Energiepegel des Mikrowelleneingangssignals ausgewählt wird derart, dass der gegebene Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals zumindest 6 dB geringer ist als der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals bei Sättigung. Stützstäbe, die in „C" Richtung ausgerichtet sind, wirken mit dem Wendelelement und dem Röhrenelement zusammen, um das Wendelelement abzustützen und Wärme weg von diesem zu leiten.

Claims

Wanderwellenröhre (10) mit: einem Röhrenelement (38); einer Wellen-Verzögerungsleitung (SWS) (14), die innerhalb des Röhrenelements (38) platziert ist, wobei die SWS (14) ein Eingangsende (28) zum Empfang eines Mikrowelleneingangssignals mit einem ausgewählten Energiepegel und ein Ausgangsende (30) zum Liefern eines Mikrowellenausgangssignals mit einem vorgegebenen Energiepegel aufweist; einer Elektronenkanonen-Anordnung (12), die benachbart dem Eingangsende (28) der SWS (14) ist, zum Injizieren von Elektronen als Elektronenstrahl (18) längs eines axialen Wegs in der SWS (14); und einer Magnet-Fokussierungsvorrichtung (50; 60) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit einer vorgegebenen Stärke, um den Elektronenstrahl (18) auf den axialen Weg zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die gegebene Stärke des Magnetfelds ausreicht, um den Elektronenstrahl (18) zu begrenzen, nur wenn der Energiepegel des Mikrowelleneingangssignals so gewählt ist, dass der vorgegebene Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals zumindest 6 dB kleiner als der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals bei Sättigung ist.
Röhre (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die SWS (14) ein Wendelelement (26) ist.
Röhre (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: drei Bor-Nitrid(BN)-Trägerstäbe (44), die zwischen dem Röhrenelement (38) und dem Wendelelement (26) liegen, um abzustützen und Wärme weg von dem Wendelelement (26) zu transportieren, wobei die drei BN-Trägerstäbe (44) in der „C"-Richtung zwischen dem Wendelelement (26) und dem Röhrenelement (38) ausgerichtet sind.
Röhre (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnet-Fokussierungs-Vorrichtung (50; 60) eine periodische Anordnung (60) von Permanentmagneten (PPM) ist.
Röhre (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PPM-Anordnung (60) eine Vielzahl von Scheibenmagneten (62) aufweist.
Röhre (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Scheibenmagneten (62) aus einer minimalen Anzahl von Scheibenmagneten (62) ausreichend zur Erzeugung des Magnetfelds mit der vorgegebenen Stärke besteht.
Röhre (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (18) einen vorgegebenen Energiepegel besitzt und der Energiepegel des Mikrowelleneingangssignals so ausgewählt ist, dass der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals etwa zwanzig bis fünfzig Mal kleiner als der vorgegebene Energiepegel des Elektronenstrahls (18) ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wanderwellenröhre (10), die eine Wellen-Verzögerungsleitung (SWS) (14) aufweist, die ein Eingangsende (28) zum Empfang eines Mikrowelleneingangssignals mit einem ausgewählten Energiepegel und ein Ausgangsende (30) zum Liefern eines Mikrowellenausgangssignals mit einem vorgegebenen Energiepegel besitzt, wobei das Verfahren aufweist: Injizieren von Elektronen an dem Eingangsende (28) des SWS (14), um einen Elektronenstrahl (18) entlang eines axialen Wegs durch die SWS (14) zu bilden; Beaufschlagen des Eingangsendes (28) des SWS (14) mit dem Mikrowelleneingangssignal, das den ausgewählten Energiepegel besitzt; und Erzeugen eines Magnetfelds mit einer vorgegebenen Stärke, um den Elektronenstrahl (18) auf dem axialen Weg einzusperren, wobei die vorgegebene Stärke des Magnetfelds ausreicht, um den Elektronenstrahl (18) nur zu begrenzen, wenn der Energiepegel des Mikrowelleneingangssignals so ausgewählt ist, dass der vorgegebene Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals zumindest 6 dB kleiner ist als der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals bei Sättigung.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (18) einen vorgegebenen Energiepegel aufweist und der Energiepegel des Mikrowelleneingangssignals so gewählt ist, dass der Energiepegel des Mikrowellenausgangssignals zwanzig bis fünfzig Mal kleiner ist als der vorgegebene Energiepegel des Elektronenstrahls (18).