DE69904925T2 - Ausgangshohlraumstruktur fur einen verstarker mit induktivem ausgang - Google Patents

Description

VERWANDTE ANMELDUNGSDATEN
• Die Anmeldung beansprucht die Vorteile der anhängigen US Anmeldung mit der Nr. 60/080007, eingereicht am 3. April 1998, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Linearstrahlvorrichtungen wie etwa Verstärker mit induktiver Auskopplung, die zur Verstärkung eines HF-Signals verwendet werden. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Auskopplungsresonatorkammer-Struktur zum Extrahieren eines verstärkten HF-Singals aus dem Verstärker mit induktiver Auskopplung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
• Es ist im Stand der Technik wohl bekannt, eine Linearstrahlvorrichtung wie ein Klystron oder einen Lauffeldröhrenverstärker, um ein hochfrequentes HF-Signal zu erzeugen oder zu verstärken. Solche Vorrichtungen umfassen im allgemeinen eine Elektronen aussendende Kathode und eine davon beabstandete Anode. Die Anode umfasst eine mittige Öffnung, und durch Anlegen eines Hochspannungspotentials zwischen der Kathode und der Anode können Elektronen von der Kathodenoberfläche abgezogen und in einem Hochleistungstrahl ausgerichtet werden, der die Anodenöffnung durchdringt.
• Eine Klasse von Linearstrahlvorrichtungen, die als Verstärker mit induktiver Auskopplung oder Röhre mit in duktiver Auskopplung (IOT, inductive output tube) bezeichnet werden, umfasst darüber hinaus ein Gitter, das in dem Zwischenelektrodenbereich angeordnet ist, der zwischen der Kathode und der Anode definiert ist. Der Elektronenstrahl kann somit durch Anlegen eines HF-Signals an das Gitter relativ zur Kathode dichtemoduliert werden. Nach dem der dichtemodulierte Strahl durch die Anode beschleunigt ist, breitet er sich durch eine Lücke aus, die stromab in dem Verstärker mit induktiver Auskopplung angeordnet ist, wodurch HF-Felder in der mit der Lücke gekoppelten Resonatorkammer induziert werden. Die HF-Felder können dann von der Auskopplungsresonatorkammer in Form eines modulierten Hochleistungs-HF-Signals entnommen werden.
• Obwohl Verstärker mit induktiver Auskopplung zur Verstärkung hochfrequenter HF-Signale, wie solche zur Aussendung von Fernsehsignalen (z. B. 470-810 MHz Abstimmbereich bei einer momentanen Bandbreite von 6 MHz) vorteilhaft sind, ist die Abstimmbarkeit innerhalb des gewünschten Bereichs und die momentane Bandbreite solcher Signale durch die Impedanz der Auskopplungsresonatorkammers an der Lücke begrenzt. Um bei Klystronen eine große Bandbreite zu erreichen, ist es in Fachkreisen bekannt, eine Zweikreisresonatorkammer mit einer abstimmbaren primären Resonatorkammer, die mit dem Elektronenstrahl wechselwirkt, und eine abstimmbare sekundären Resonatorkammer, die mit der primären Resonatorkammer gekoppelt ist, zu verwenden. Ein Beispiel einer Zweikreisresonatorkammer ist in dem US Patent Nr. 2934672 an Pollack et al. für ein "Velocity Modulation Electron Discharge Device" offenbart. Siehe ebenso "Wide Band UHF 10 KW Klystron Amplifier", von H. Goldman, L. F. Gray und L. Pollack, IRE National Convention Record, 1958.
• Bei der von Pollack et al. offenbarten Zweikreisresonatorkammer umfasst die sekundäre Resonatorkammer einen koaxialen Resonator mit einer Länge von einer halben Wellenlänge (λ/2), der mit der primären Resonatorkammer gekoppelt ist, wobei λ eine Wellenlänge eines HF- Ausgangssignals ist. Eine einstellbare Schleife ist an einem Ende des koaxialen Resonators, innerhalb der primären Resonatorkammer angeordnet, um HF-Energie aus der primären Resonatorkammer induktiv in die sekundäre Resonatorkammer einzukoppeln. Der koaxiale Resonator weist in der sekundären Resonatorkammer einen beweglichen Kurzschluss auf, um die Halbwellen-Übertragungsleitung abzustimmen. Mit Hilfe einer kapazitiven Sonde wird aus dem koaxialen Resonator Energie ausgekoppelt. Ein Breitbandbetrieb wird erreicht, indem die sekundäre Resonatorkammer auf einen bestimmten Frequenzbereich abgestimmt wird.
• Obwohl die von Pollack et al. offenbarte Zweikreis- Abstimmresonatorkammer zu seiner Zeit bei niedrigen Leistungspegeln (z. B. bei etwa 10 kW) leistungsfähig war, ist er für gegenwärtige Verstärker mit induktiver Auskopplung, von denen erwartet wird, dass sie bei wesentlich höheren Leistungspegeln (z. B. oberhalb von 30 kW) arbeiten, nicht geeignet. Dies liegt zum Teil an dem vergleichsweise kleinen Umfang des Kurzschlusses am Ende des koaxialen Resonators der sekundären Resonatorkammer. Insbesondere benötigt der bewegbare Kurzschluss der sekundären Resonatorkammer eine Mehrzahl von leitenden Fingern, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Umfang des Kurzschlusses und dem äußeren Leiter der Koaxialresonatorkammer aufrecht zu erhalten. Der durch den koaxialen Resonator geführte Ausgangsstrom, fließt direkt durch die leitenden Finger. Bei den bei Verstärkern mit induktiver Auskopplung erwarteten hohen Leistungspegeln kann die Stromdichte hoch genug sein, um die leitenden Finger zu beschädigen. Es ist nicht möglich, den Umfang des Kurz- Schlusses zu vergrößern, um so die Stromdichte zu erhöhen, ohne dabei die Resonanzcharakteristik des koaxialen Resonators zu verändern.
• Daher wäre es wünschenswert, einen Verstärker mit induktiver Auskopplung bereitzustellen, der eine Zweikreis- Auskopplungsresonatorkammer auf weist, welche einen breiten Abstimmbereich aufweist und hohe Ausgangsstrompegel verarbeiten kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird eine Signalauskopplungsanordnung für eine Linearstrahl- Verstärkungsvorrichtung wie etwa einen Verstärker mit induktiver Auskopplung bereitgestellt. Wie in Fachkreisen bekannt ist, liefert die Linearstrahl- Verstärkungsvorrichtung einen axial zentrierten Elektronenstrahl, der durch ein HF-Eingangssignal moduliert ist. Die Signalauskopplungsanordnung umfasst darüber hinaus eine primäre Auskopplungsresonatorkammer, die mit einer sekundären Auskopplungsresonatorkammer verbunden ist. Die primäre Auskopplungsresonatorkammer umschließt eine Driftröhre, durch die sich der modulierte Elektronenstrahl ausbreitet. Die Driftröhre weist einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt eine Lücke definiert ist. Der dichtemodulierte Strahl tritt durch die Lücke hindurch und induziert ein verstärktes HF-Signal in der primären Auskopplungsresonatorkammer. Das verstärkte HF- Signal wiederum wird von der primären Auskopplungsresonatorkammer in die sekundäre Auskopplungsresonatorkammer übertragen.
• Insbesondere umfasst die sekundäre Auskopplungsresonatorkammer einen koaxialen Resonator, die durch eine Schleife in der primären Resonatorkammer begrenzt ist, sowie einen Wellenleiter mit einem Steg. Der koaxiale Resonator weist eine elektrische Länge auf, die gleich einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge (nλ/4) des Eingangssignals ist, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist. Der koaxiale Resonator ist senkrecht, zu einem Zentrum des Stegs elektrisch verbunden, so dass sich ein erster und ein zweiter Abschnitt des Stegs von der Verbindungsstelle mit dem koaxialen Resonator in einander entgegengesetzten Richtungen zu jeweiligen Enden des Wellenleiters erstrecken. Der erste und der zweite Stegabschnitt weisen jeweils eine elektrische Länge auf, die einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge (nλg/4) des Eingangssignals des Wellenleiters ist, wobei λg die Wellenlänge des Eingangssignals in dem Wellenleiter und n eine ungerade ganze Zahl ist. Eine induktive Kopplungsschleife mit einem ersten Ende an ein Ende eines mittleren Leiters des koaxialen Resonators und mit einem zweiten Ende an einen äußeren Leiter des koaxialen Resonators gekoppelt. Die induktive Kopplungsschleife erstreckt sich in der primären Auskopplungsresonatorkammer und ist angepasst, um das verstärkte HF-Signal von der primären Auskopplungsresonatorkammer zu der sekundären Auskopplungsresonatorkammer zu übertragen. Das verstärkte HF-Signal wird anschließend aus der sekundären Auskopplungsresonatorkammer ausgekoppelt.
• Ein umfassenderes Verständnis der Verstärkerstruktur mit induktiver Auskopplung sowie deren weitere Vorteile und Ziele wird dem Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ersichtlich. Es wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungsblätter, die zunächst kurz beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Verstärkers mit induktiver Auskopplung gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Signalauskopplungsanordnung für den Verstärker mit induktiver Auskopplung, die eine primäre und eine sekundäre Auskopplungsresonatorkammer enthält;
• Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht der Signalauskopplungsanordnung;
• Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der sekundären Auskopplungsresonatorkammers;
• Fig. 5 ist eine Querschnittsendansicht der Signalauskopplungsanordnung, entlang des Querschnitts 5-5 von Fig. 2;
• Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht der Signalauskopplungsanordnung, entlang des Querschnitts 6-6 von Fig. 4;
• Fig. 7 ist ein vergrößerter Abschnitt des in Fig. 2 gezeigten sekundären Auskopplungsresonatorkammers; und
• Fig. 8 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Frequenz und der Länge des Wellenleiters des sekundären Auskopplungsresonatorkammers zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Die vorliegende Erfindung befriedigt den Bedarf an einem Verstärker mit induktiver Auskopplung, der eine Zweikreis-Auskopplungsresonatorkammer auf weist, um einen breiten Abstimmbereich und die Möglichkeit der Handhabung hoher Ausgangsstrompegel bereitzustellen. In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung sind gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen, die in einer oder in mehreren der Figuren dargestellt sind.
• Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines Verstärkers mit induktiver Auskopplung dargestellt ist. Der Verstärker mit induktiver Auskopplung umfasst drei Hauptabschnitte, einschließlich einer Elektronenkanone 20, einer Driftröhre 30 und einem Kollektor 40. Die Elektronenkanone 20 liefert einen axial ausgerichteten Elektronenstrahl, der durch ein HF-Signal dichtemoduliert ist. Ein Beispiel eines Verstärkers mit induktiver Auskopplung ist in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/054747, eingereicht am 3. April 1998, bereitgestellt, deren Erfindungsgegenstand durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin eingebunden ist.
• Die Elektronenkanone 20 umfasst eine Kathode 8 mit einem in dichtem Abstand angeordneten Gitter 6. Die Kathode 8 ist am Ende einer zylindrischen Kapsel 23 angeordnet, die eine innere Heizwendel 25 enthält, die mit einer (nicht gezeigten) Heizspannungsquelle verbunden ist. Die Kathode 8 wird strukturell durch ein Gehäuse gehalten, das eine Kathodenendplatte 13, eine erste zylyindrische Hülse 12 und eine zweite zylindrische Hülse 16 umfasst. Die erste und die zweite zylindrische Hülse 12, 16 bestehen aus elektrisch leitenden Materialien wie Kup fer und sind axial miteinander verbunden. Die Kathodenendplatte 13 ermöglicht eine elektrische Verbindung mit der Kathode 8. Eine Ionenpumpe 15 ist mit der Kathodenendplatte 13 verbunden und wird dazu verwendet, positive Ionen in der Elektronenkanone 20 zu entfernen, die während des Prozesses der thermischen Emission von Elektronen entstehen, wie in Fachkreisen bekannt ist.
• Das Steuergitter 6 ist dicht bei der Oberfläche der Kathode 8 angeordnet und mit einer (nicht gezeigten) Vorspannungsquelle verbunden, um eine Gleichvorspannung relativ zur Kathode 8 aufrecht zu erhalten. Ein HF- Eingangssignal liegt zwischen dem Steuergitter 6 und der Kathode 8 an, um die Dichte des von der Kathode emittierten Elektronenstrahl zu modulieren. Das Gitter 6 kann aus einem elektrisch leitenden, thermisch widerstandsfähigen Material wie pyrolytischen Grafit bestehen. Das Gitter 6 wird durch einen Gitterträger 26 physikalisch festgelegt. Der Gitterträger 26 führt die Vorspannung an das Gitter 6 und hält das Gitter in einer exakten Position und in einem exakten Abstand bezüglich der Kathode 8. Ein Beispiel einer Gitterträgerstruktur für einen Verstärker mit induktiver Auskopplung ist in der ebenfalls anstehenden Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/017369, jetzt als US Patent Nr. 5990622 erteilt, bereitgestellt, deren Erfindungsgegenstand durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin eingebunden ist.
• Der Gitterträger 26 ist durch einen Kathodengitterisolator 14 und eine Gitfcerendplatte 18 mit dem Kathodengehäuse verbunden. Der Isolator 14 besteht aus einer elektrischen Isolierung, einem wärmeleitenden Material wie z. B Keramik und ist kegelstumpfförmig. Die Gitterendplatte 18 ist ringförmig und ist mit einem Ende des Kathodengitterisolators 14 verbunden, so dass sich die Kathodenkapsel 23 dort hindurch erstreckt. Die Gitterend plätte 18 ermöglicht eine elektrische Verbindung mit dem Gitter 6. Der Gitterträger 26 ist größer als ein entsprechender Durchmesser der Kathodenkapsel 23, so dass ein Raum zwischen dem Gitter 6 und der Kathode 8 bereitgestellt und die dazwischen gebildete Gleichvorspannung abgehalten wird.
• Der modulierte Elektronenstrahl, der von der Elektronenkanone 20 bereitgestellt wird, tritt durch die Driftröhre 30, die darüber hinaus einen ersten Driftröhrenabschnitt 32 und einen zweiten Driftröhrenabschnitt 34 umfasst. Der erste und der zweite Driftröhrenabschnitt 32 und 34 haben jeweils ein axiales Strahltunnel, das sich durch sie hindurch erstreckt, und sind durch eine Lücke (siehe auch Fig. 2) voneinander getrennt. Die Anströmkante des ersten Driftröhrenabschnitts weist zu der Gitterstruktur 26 einen Abstand auf, und bildet eine Anode für die Elektronenkanone 20. Der erste Driftröhrenabschnitt 32 wird durch eine Anodenendplatte 24 in einer axialen Position relativ zu der Kathode 8 und dem Gitter 6 gehalten. Die Anodenendplatte 24 ermöglicht eine elektrische Verbindung mit der Anode. Die Anodenendplatte 24 ist durch einen Isolator 22, der aus einem HF-durchlässigen Material wie Keramik besteht, mechanisch mit der Gitterendplatte 18 verbunden. Der Isolator 22 bildet einen Abschnitt der Vakuumhülle für den Verstärker mit induktiver Auskopplung und umschließt den Wechselwirkungsbereich, der zwischen dem Gitter 6 und der Anode definiert ist. Eine HF-durchlässige Hülse 36, z. B. aus einem Keramikmaterial, umschließt den ersten und den zweiten Driftröhrenabschnitt 32 und 34 und liefert eine Teilvakuum- Dichtung für die Vorrichtung. Eine (nachstehend beschriebene) Signalauskopplungsanordnung ist mit der HF- durchlässigen Hülse 36 verbunden, so dass elektromagnetische HF-Energie aus dem modulierten Strahl entnommen zu werden kann, wenn dieser die Lücke durchquert.
• Der Kollektor 40 umfasst eine innere Struktur 42 und ein äußeres Gehäuse 38. Die innere Struktur 42 weist eine axiale Öffnung auf, so dass Elektronen des abgeschwächten Elektronenstrahls dort hindurch und nach dem Durchqueren der Driftröhre 30 gesammelt werden können. An die innere Struktur 42 kann eine Spannung angelegt sein, die unter die Spannung des äußeren Gehäuses 38 herabgesetzt ist, und diese beiden Strukturen können elektrisch voneinander isoliert sein. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, bildet die innere Struktur 42 eine einzelne Kollektorelektrodenstufe. Alternativ dazu kann die innere Struktur 42 auch eine Mehrzahln von Kollektorelektroden umfassen, wobei jede auf einen unterschiedlichen Spannungspegel bezüglich der Kathode herabgesetzt ist. Ein Beispiel eines Verstärkers mit induktiver Auskopplung mit mehrstufigem Bremsfeldkollektor wird von dem US Patent Nr. 5650751, Inhaber R. S. Symons, bereitgestellt, dessen Gegenstand durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierein eingebunden ist. Der Kollektor 40 kann ferner ein Wärmesteuerungssystem enthalten, um die von den auf treffenden Elektronen abgegebene Wärme von der inneren Struktur 42 abzuführe.
• Die Signalauskopplungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist ausführlicher in den Fig. 2-7 dargestellt. Wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, umfasst die Signalauskopplungsanordnung eine primäre Resonatorkammer 50, die den Raum innerhalb der HF-durchlässigen Hülse 36 beinhaltet. Die primäre Resonatorkammer 50 ist allgemein rechteckig und weist äußere Flächen 54 auf, die aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer bestehen. Eine Vorderwand 51 (siehe Fig. 3) und eine entsprechende (nicht gezeigte) Rückwand sind jeweils beweglich, um die Resonanzfrequenz der primären Resonatorkammer 50 abzustimmen. Diese beweglichen Wände umfassen Schieber oder Schieber, die mittels Motoren, Gewindestangen oder ande ren vergleichbaren mechanischen Vorrichtungen selektiv nach innen und nach außen bewegt werden. Die Vorderwand 51 und die Rückwand umfassen darüber hinaus eine Mehrzahl von leitenden Fingern, die sich entlang ihres äußeren Umfangs erstrecken, um eine elektrische Verbindung mit den nicht beweglichen äußeren Flächen 54 des primären Resonatorkammers 50 herzustellen. Die leitenden Finger bestehen aus elektrisch leitenden Materialien und können als federähnliche Streifen ausgebildet sein, die in eine die äußeren Flächen 54 kontaktierende Position vorgespannt sind.
• Eine sekundäre Resonatorkammer 60 ist über einen koaxialen Resonator, der einen, mittleren Leiter 52 (siehe Fig. 2) und einen zusammenschiebbaren äußeren Leiter umfasst, der aus zylindrischen Segmenten 55 und 56 gebildet wird, mit der primären Resonatorkammer 50 verbunden. Der mittlere Leiter 52 weist eine allgemein zylindrische Form auf und besteht aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer. Das erste zylindrische Element 55 des äußeren Leiters befindet sich in elektrischem Kontakt mit und erstreckt sich durch eine obere Fläche 53 (siehe Fig. 3) der primären Resonatorkammer 50. Das erste zylindrische Segment 55 weist ein Ende auf, das der HF-durchlässigen Hülse 36 des primären Resonatorkammers 50 gegenüberliegt. Das zweite Segment 56 ist koaxial innerhalb des ersten Segments 55 gekoppelt. Das erste und das zweite Segment 55, 56 weisen leitende Finger 67 bzw. 69 auf, so dass eine elektrische Verbindung zwischen ihnen hergestellt ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das zweite Segment 56 ist bezüglich des ersten Segments 55, das in einer festgelegten Position bleibt, axial und drehbar beweglich. Die Segmente 55 und 56 bestehen aus elektrisch leitenden Materialien wie Kupfer.
• Eine induktiv koppelnde Schleife 57 ist in der primären Resonatorkammer 50 angeordnet, und weist ein erstes Ende auf, das elektrisch mit dem mittleren Leiter 52 verbunden ist, und ein zweites Ende, das am Rand des zweiten Segments elektrisch mit dem äußeren Leiter verbunden ist. Eine isolierende Scheibe 58 (siehe Fig. 2) ist zwischen einem Ende des zweiten Segments 56 und einem Ende des mittleren Leiters 52 angeordnet, um eine strukturelle Kopplung zwischen den beiden Elementen zu herzustellen. Auf diese Weise können sich der mittlere Leiter 52 und das zweite Segment 56 sowohl axial als auch drehend bewegen, ohne die induktiv koppelnde Schleife überzubeanspruchen. Es sollte beachtet werden, dass sich die induktiv koppelnde Schleife 57 axial und drehend innerhalb der primären Resonatorkammer 50 durch eine entsprechende Bewegung des mittleren Leiters 52, gemeinsam mit der isolierenden Scheibe 58 und dem zweiten Segment 56 bewegt. In einigen Situationen können der mittlere Leiter 52 des koaxialen Resonators, zusammen mit der Induktivität der Kopplungsschleife 57 eine elektrische Länge haben, die λ/4 entspricht, wenn die Segmente 55 und 56 auf eine Länge von Null zusammengeschoben sind. Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht des mittleren Leiters 52, der äußeren Fläche 54, der zylindrischen Segmente 55, 56, der induktiv koppelnden Schleife 57, der isolierenden Scheibe 58 und des leitenden Fingers 67.
• Das gegenüberliegende Ende des mittleren Leiters 52 erstreckt sich senkrecht in die sekundäre Resonatorkammer 60. Die sekundäre Resonatorkammer 60 umfasst einen rechteckigen Wellenleiter 64, der einen sich axial erstreckenden Steg 62 (siehe Fig. 2) auf weist, so dass im Querschnitt eine allgemein C-förmige Struktur gebildet ist. Der Steg 62 weist ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt auf und erstreckt sich nach innen in die sekundäre Resonatorkammer 60, so dass eine Oberfläche gebildet wird, die parallel und gegenüberliegend zu einer Fläche 65 des Wellenleiteres 64 gebildet wird. Der Steg 62 erstreckt sich entlang einer axialen Längsausdehnung des rechteckigen Wellenleiters 64. Der Wellenleiter 64 und der Steg 62 bestehen jeweils aus elektrisch leitenden Materialien wie Kupfer. Der mittlere Leiter 52 dringt durch eine Öffnung, die durch den Umfang des ersten Segments 55 definiert ist, durch die Fläche 65 (siehe Fig. 2) hindurch zu einem mittleren Abschnitts des Stegs 62. Das erste Segment 55 des äußeren Leiters ist elektrisch mit der Fläche 65 des Wellenleiters 64 gekoppelt, der dem Steg 62 direkt gegenüberliegt. Der mittlere Leiter 52 ragt durch eine (nicht gezeigte) Öffnung in dem mittleren Abschnitt des Stegs 62 hindurch und ist elektrisch mit dem Steg gekoppelt. Ein Stellring bzw. eine Spannhülse 72 (siehe auch Fig. 4) ist auf der anderen Seite des Stegs 62, außerhalb des sekundären Resonatorkammers 60, angeordnet und ermöglicht die Einstellung und die anschließende räumliche Festlegung der axialen und rotatorischen Position des mittleren Leiters 52 auf eine gewünschte Position. Die Öffnung in dem mittleren Abschnitt des Stegs 62 eine (nicht gezeigte) leitende Fingerauflage, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Steg und dem mittleren Leiter 52 herzustellen.
• Wie in den Fig. 4 und 6 gezeigt ist, sind die Enden 66 des Wellenleiters 64 in einer axialen Richtung beweglich, um die Resonanzfrequenz des Wellenleiters auf die gleiche Weise wie mit den Wänden der primären Resonatorkammer 50 abzustimmen. Die Enden 66 umfassen bewegbare Kolben bzw. Schieber, die mittels Motoren, Kurbeln und Gewindestangen oder vergleichbaren mechanischen Vorrichtungen nach innen und nach außen bewegt werden. Die Wellenleiterenden 66 weisen darüber hinaus eine Mehrzahl von leitenden Fingern 68 (siehe Fig. 6) auf, die sich entlang dessen äußerem Umfang erstrecken, um eine elektrische Verbindung mit den Wänden des Wellenleiters 64 (siehe auch Fig. 7) herzustellen. Die leitenden Finger 68 bestehen aus elektrisch leitenden Materialien wie Kupfer und sind als federähnliche Streifen ausgebildet, die in einer die Wände des Wellenleiters 64 kontaktierenden Position vorgespannt sind. Die Anzahl der und der Abstand zwischen den leitenden Fingern 68 kann gewählt werden, um den erwarteten Betrag des elektrischen Stromes anzupassen, der durch den Wellenleiter fließt. Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des mittleren Leiters 52, der zylindrischen Segmente 55, 56, der isolierenden Scheibe 58, der Wellenleiterfläche 65 und des Einstellrings bzw. der Spannhülse 72.
• Der koaxiale Resonator weist eine ungefähre Länge auf, die einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge (nλ/4) eines HF-Ausgangssignals des Verstärkers mit induktiver Auskopplung entspricht, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist. Die Position der Enden 66 des Wellenleiters 64 wird so eingestellt, dass sich die zwei Abschnitte des Stegs 62 in entgegengesetzte Richtungen um eine Distanz erstrecken, die etwa einem ungeraden Vielfachen einer Viertel-Wellenleiterwellenlänge (nλg/4) entspricht, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist. Die kombinierten charakteristischen Impedanzen der zwei parallelen Abschnitte des Stegs 62 mit einem ungeradzahligen Vielfachen der Wellenleiterwellenlänge (nλ/4) ist in etwa gleich der charakteristischen Impedanz des koaxialen Resonators, so dass keine Reflexion von HF-Energie an der Verbindungsstelle zwischen dem koaxialen Resonator und dem Steg 62 auftritt. Mit anderen Worten, der koaxiale Resonator, die induktiv koppelnde Schleife und der Steg sind elektrisch verbunden, so dass eine Pfadlänge definiert wird, die einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge des verstärkten Ausgangssignals (nλ/4) entspricht, wobei m eine gerade ganze Zahl ist. Diese Konfiguration kann hohe Strompegel an den Wellenleiterabstimmkolben 66 verarbeiten als die Vorrichtung des Standes der Technik, da sich der Strom zwischen die zwei Abschnitt des Stegs 62 aufteilt. Darüber hinaus ist der Umfang der bewegbaren Enden 66 des Wellenleiters 64 viel größer als der Kurzschluss mit kleinem Umfang der Vorrichtung des Standes der Technik, so dass die Stromdichte an den leitenden Fingern entsprechend reduziert ist.
• Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine induktiv koppelnde Schleife 74 an einer Seitenfläche des Wellenleiters 64 angeordnet, um eine verstärkte HF-Energie aus der sekundären Resonatorkammer 60 auszukoppeln. Die Kopplungsschleife 74 kann innerhalb des Wellenleiters 64 gedreht werden, um eine gewünschte Kopplung mit der HF-Energie in dem Wellenleiter zu erreichen. Die HF-Energie von dem Elektronenstrahl wird in die primäre Resonatorkammer 50 eingekoppelt und wird dann durch den mittleren Leiter 52 in die zweite Resonatorkammer 60 eingekoppelt. Die elektromagnetische HF-Energie wird anschließend durch die induktiv koppelnde Schleife 74 aus der sekundären Resonatorkammer 60 extrahiert. Dabei ist zu beachten, dass anstelle einer induktiven Kopplung eine kapazitive Kopplung verwendet werden kann, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
• Die Operationstheorie der Auskopplungsresonatorkammerstruktur des Verstärkers mit induktiver Auskopplung lässt sich wie folgt verstehen. An der Verbindungsstelle von einer Anzahl, k, von kurzgeschlossenen, verlustfreien Übertragungsleitungen, die an ihren Sendeenden parallel sind, ist die Resonanzbedingung durch Gleichung 1 definiert als:
• Bi = 0
• Für eine kurzgeschlossene, verlustfreie Übertragungsleitung ist der Blindleitwert Bi an dem offenen sendenden Ende durch Gleichung 2 definiert als:
• Bi = -jY&sub0;&sub1;cot(2πli/λg)
• wobei li die Länge der i-ten Übertragungsleitung von dem offenen Sendeende bis zu dem Kurzschluss, Y&sub0;&sub1; der charkteristische Scheinleitwert der i-ten Übertragungsleitung und λg die Wellenleiterwellenlänge ist, die nur für transversale elektromagnetische Moden (z. B. Moden paralleler Leiter oder von Koaxialleiter- Übertragungsleitungen) gleich der Wellenlänge λ des Freiraums ist. Ansonsten ist die Wellenleiterwellenlänge durch Gleichung 3 definiert als:
• worin λc die längste Freiraumwellenlängen-Welle ist, die sich in einer gewählten Mode in dem Wellenleiter ausbreiten kann. Diese wird als die "Grenz"-Wellenlänge bezeichnet. Alternativ ist die Grenzfrequenz durch Gleichung 4 definiert als:
• fc = c/λc
• worin fc die niedrigste Frequenz ist, die sich in dem Wellenleiter ausbreiten kann, und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Bei der Grenzwellenlänge oder -frequenz schwingt die Welle mit den Wellenleiterquerschnittsmessungen, wobei sie im wesentlichen zwischen den Wänden des Wellenleiters in einem rechten Winkel zu der gewünschten Ausbreitungsrichtung hin- und herreflektiert wird, und sich daher nicht ausbreitet. Bei höheren Frequenzen addieren sich zwei Wellen, die sich unter dem gleichen aber entgegengesetzten Winkel von weniger als 90º bezüglich des Wellenleiterachse ausbreiten, so dass das elektrische Feld in der Mitte des Wellenleiters stark ist, und die Felder an den Seitenwänden Null sind.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der oben beschriebenen Auskopplungsresonatorkammerstruktur des Verstärkers mit induktiver Auskopplung hat der Wellenleiter 64 eine Grenzfrequenz von 269 MHz, und zwei der kurzgeschlossenen Übertragungsleitungen (d. h. die zwei Abschnitte des Wellenleiters 64, die sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken) sind in etwa λg/4- Abschnitte des Wellenleiters, wobei die kurzschließenden Ebenen (d. h. Enden 66) einen Abstand von λg/2 voneinander haben. Fig. 8 ist eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Länge der λg/4-Abschnitte des Wellenleiters und der Frequenz über der UHF-Fernsehband von 470 bis 810 MHz zeigt. Die Kennlinie zeigt die Grenzfrequenz als eine Asymptote der Kennlinie, entsprechend einem unendlich langen Wellenleiter.
• Eine dritte kurzgeschlossene Übertragungsleitung (d. h. der koaxiale Resonator, der den mittleren Leiter 52 und die Kopplungsschleife 57 umfasst) weist ebenfalls eine Länge auf, die einstellbar ist, so dass sie über das Betriebsband verändert werden kann, um der λ/4-Bedingung zu genügen. In der Praxis wird die Länge des äußeren Leiters des koaxialen Resonators in der Nähe des unteren Endes des Bandes (d. h. bei ungefähr 550 MHz) ziemlich genau Null, obwohl sich noch eine beträchtliche Länge in dem mittleren Leiter und der zugehörigen Kopplungsschleife befindet. Es sei vorweggenommen, dass eine ausreichende Abstimmung der Resonanzfrequenz der drei kurzgeschlossenen Übertragungsleitungen (i = 3), die den Resonatorkammer über der unteren Hälfte des Bandes definieren, erreicht werden kann, indem nur die Distanz zwischen den zwei En den 66 des Wellenleiters 64 eingestellt werden, ohne dass eine weitere Einstellung der Länge des koaxialen Resonatos erforderlich ist.
• Darüber hinaus kann dem koaxiale Resonator durch Ausdehnen der endlichen Länge des äußeren Leiters sowie des des mittleren Leiters um den gleichen Betrag eine elektrische Länge von 3λ/4 in der oberen Hälfte des 470 bis 810 MHz Bandes verliehen werden. Wie oben erwähnt, kann die Signalauskopplungsvorrichtung über den Frequenzbereich ausreichend abgestimmt werden, indem nur die zwei Enden 66 des Wellenleiters 64 bewegt werden, ohne dass weitere Einstellungen hinsichtlich der Länge des koaxialen Resonators erforderlich sind. Die Leichtigkeit der Abstimmung auf diese Weise folgt aus der Tatsache, dass der Blindleitwert Bi der zwei parallelen Wellenleiterabschnitte groß ist. Daher ermöglichen vergleichsweise kleine Bewegungen der kurzgeschlossenen Enden des Wellenleiters das Erfüllen der oben angegebenen Bedingungen (Gleichung 1) über einen weiten Abstimmbereich, selbst wenn der koaxiale Resonator nicht exakt eine Länge von λ/4 aufweist. Zwar ragt die induktiv koppelnde Schleife 57 an dem koaxialen Resonator weiter in den primären Resonatorkammer hinein, wenn die Länge des koaxialen Resonators 3λ/4 beträgt, doch ist dies de facto ein günstiges Ergebnis. Die Abstimmtkolben bzw. -Schieber, die durch die Wände des primären Resonator kämme r s bereitgestellt werden, sperren das HF-Magnetfeld in die unmittelbare Nähe der HF-durchlässigen Hülse 36 der Vorrichtung an diesem Ende des Bandes. Somit ist die ausgedehnte Schleife 57 tatsächlich gut platziert, um das Feld zu koppeln.
• Nachdem somit eine bevorzugte Ausführungsform einer Resonatorkammerstruktur eines Verstärkers mit induktiver Auskopplung beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass gewisse Vorteile innerhalb des Systems er reicht worden sind. Dabei sollte auch beachtet werden, dass verschiedene Modifikationen, Anpassungen und alternative Ausführungsformen davon innerhalb des Umfangs und des Geistes der vorliegenden Erfindung gemacht werden können. Die Erfindung ist ferner durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims (12)

1. Signalauskopplungsanordnung für eine Linearstrahl-Verstärkungsvorrichtung, die einen durch ein HF-Eingangssignal modulieren Elektronenstrahl liefert und Folgendes umfasst:

eine primäre Auskopplungsresonanzkammer (50), die ein verstärktes HF-Signal von der Linearstrahl-Verstärkungsvorrichtung empfängt;

eine sekundäre Auskopplungsresonanzkammer (60), die einen allgemein rechteckigen Wellenleiter (64) mit einem Steg (62) umfasst;

einen koaxialen Resonator, der die primäre und die sekundäre Auskopplungsresonanzkammer (50, 60) verbindet, wobei der koaxiale Resonator senkrecht zu einem Zentrum des Stegs (62) elektrisch verbunden ist, so dass sich ein erster und ein zweiter Abschnitt des Stegs (62) von einer Verbindungsstelle mit dem koaxialen Resonator in einander entgegengesetzten Richtungen zu jeweiligen Enden des Wellenleiters (64) erstrecken, wobei der erste und der zweite Stegabschnitt jeweils eine entsprechende Länge auf weisen, die etwa gleich einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge (nλg/4) des Eingangssignals des Wellenleiters ist, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist;

ein erstes Mittel zum Einkoppeln des verstärkten HF- Signals von der primären Auskopplungsresonanzkammer (50) in den koaxialen Resonator, wobei der koaxiale Resonator und das erste Kopplungsmittel einstellbar sind, um eine elektrische Gesamtlänge zu erreichen, die einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge (nλg/4) des Eingangssignals entspricht; und

ein zweites Mittel zum Auskoppeln des verstärkten HF- Signals aus der sekundären Auskopplungsresonanzkammer (60).

2. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der koaxiale Resonator darüber hinaus einen mittleren Leiter (52) und einen äußeren Leiter (55, 56) umfasst.

3. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 2, wobei das erste Kopplungsmittel ferner eine primäre induktiv koppelnde Schleife (57) umfasst, die in der primären Auskopplungsresonanzkammer (50) angeordnet und zwischen den mittleren und den äußeren Leiter des koaxialen. Resonators (55, 56) geschaltet ist.

4. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die primäre induktiv koppelnde Schleife (57) außerdem ein erstes Ende auf weist, das mit einem Ende des mittleren Leiters (52) des koaxialen Resonators verbunden ist, und ein zweites Ende auf weist, das mit dem äußeren Leiter (56) des koaxialen Resonators verbunden ist.

5. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter (64) darüber hinaus axial bewegliche Enden (66) auf weist, um jeweils eine Länge des ersten bzw. zweiten Stegabschnitts einzustellen.

6. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die beweglichen Enden (66) darüber hinaus eine Mehrzahl elektrisch leitender Finger (68) umfassen, die um einen Umfang der beweglichen Enden (66) angeordnet sind, um eine elektrische Verbindung zwischen den beweglichen Enden (66) und dem Wellenleiter (64) herzustellen.

7. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das zweite Kopplungsmittel außerdem eine sekundäre induktiv koppelnde Schleife (74) umfasst, die in der sekundären Auskopplungsresonanzkammer (60) angeordnet ist.

8. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die primäre Auskopplungsresonanzkammer (50) darüber hinaus bewegliche Wände (51) umfasst, um eine Resonanzfrequenz der primären Auskopplungsresonanzkammer (50) einzustellen.

9. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der koaxiale Resonator drehend einstellbar ist, um eine gewünschte Winkelposition der induktiv koppelnden Schleife (57) innerhalb der primären Auskopplungsresonanzkammer (50) auszuwählen.

10. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der koaxiale Resonator axial einstellbar ist, um eine gewünschte axiale Position der induktiv koppelnden Schleife (57) innerhalb der primären Auskopplungsresonanzkammer (50) auszuwählen.

11. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Linearstrahl-Verstärkungsvorrichtung ferner eine Driftröhre (30) umfasst, die den modulierten Elektronenstrahl umgibt, wobei die Driftröhre, (30) darüber hinaus einen ersten Abschnitt (32) und einen zweiten Abschnitt (34) umfasst, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (32, 34) eine Lücke gebildet ist, wobei der modulierte Strahl die Lücke durchquert und dadurch das verstärkte HF-Signal in der primären Auskopplungsresonanzkammer (50) erzeugt.

12. Signalauskopplungsanordnung nach Anspruch 2, wobei der äußere Leiter (55, 56) eine minimale Länge von annähernd Null aufweist.