DE69925877T2

DE69925877T2 - Gitter-Anodeinteraktionsgebiet mit niedriger Impedanz für einen Verstärker mit induktivem Ausgang

Info

Publication number: DE69925877T2
Application number: DE69925877T
Authority: DE
Inventors: Robert Spencer Los Altos Symons
Original assignee: L3 Communications Corp
Current assignee: L3 Technologies Inc
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2019-04-07
Also published as: EP0948024B1; EP0948024A2; CA2267710C; JPH11329264A; EP0948024A3; DE69925877D1; US6133786A; CA2267710A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verstärker mit induktiver Auskopplung, bei denen ein Elektronenstrahl, der durch ein Gitter läuft, das zwischen einer Elektronen aussendenden Kathode und einer Anode liegt, mit Hochfrequenz moduliert wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Struktur mit geringer Impedanz, die Eigenschwingungen des Elektronenstrahls auf einer Frequenz verhindern, die zum Teil von der Resonanzfrequenz des Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereichs bestimmt wird.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Es ist bekannt, dass man zum Erzeugen oder Verstärken eines Hochfrequenzsignals (HF-Signals) eine Linearstrahlvorrichtung verwenden kann, beispielsweise ein Klystron oder einen Wanderfeldröhrenverstärker. Solche Vorrichtungen umfassen generell eine Elektronen aussendende Kathode und eine Anode, die einen Abstand zur Kathode hat. Die Anode enthält eine zentrale Öffnung. Durch das Anlegen eines Hochspannungspotentials zwischen die Kathode und die Anode kann man Elektronen von der Kathodenoberfläche abziehen und in einen Hochleistungsstrahl lenken, der die Anodenöffnung durchläuft.
Eine Klasse von Linearstrahlvorrichtungen, die als Verstärker mit induktiver Auskopplung oder Röhre mit induktiver Auskopplung (IOT, IOT = Inductive Output Tube) bezeichnet wird, enthält zusätzlich ein Gitter, das im Bereich zwischen den Elektroden angeordnet ist, der zwischen der Kathode und der Anode bestimmt ist. Durch das Anlegen eines HF-Signals an das Gitter bezüglich der Kathode kann man somit die Dichte des Elektronenstrahls modulieren. Nach der Beschleunigung des dichtemodulierten Strahls durch die Anode durchläuft der Strahl einen Spalt, der stromabwärts im Verstärker mit induktiver Auskopplung bereitgestellt ist. Dadurch werden in einem Hohlraum, der mit dem Spalt gekoppelt ist, Hochfrequenzfelder erzeugt. Die Hochfrequenzfelder kann man dem Hohlraum in Form eines leistungsstarken modulierten HF-Signals entnehmen.
Läuft der modulierte Elektronenstrahl durch den Wechselwirkungsbereich, der zwischen dem Gitter und der Anode bestimmt ist, so strahlt der modulierte Strahl HF-Energie aus dem Wechselwirkungsbereich ab, falls der modulierte Strahl eine ausreichend hohe Impedanz vorfindet. Im Idealfall erreicht man eine kleine Impedanz, die die HF-Abstrahlung aus dem Wechselwirkungsbereich so gering wie möglich hält, indem man Reflexionen der HF-Energie vermeidet und den Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich mit "freiem Raum" umgibt. In der Praxis tritt jedoch ein gewisses Quantum an HF-Strahlung aus dem Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich aus, das anderen Einrichtungen und Personen in der Nähe der Vorrichtung schaden könnte, und das in den Kathoden-Gitter-Raum einkoppeln und Schwingungen erzeugen kann. Um solche unerwünschten Austritte zu verhindern, ist die Vorrichtung in der Regel von einem metallischen Gehäuse umschlossen, das die HF-Strahlung wirksam abschirmt.
Eine unbeabsichtigte Folgewirkung des Gehäuses besteht jedoch darin, dass es notwendig einen Hohlraum bildet, der mit dem Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich verbunden ist. Stellt dieser Gitter-Anoden-Hohlraum für den modulierten Elektronenstrahl eine hohe Impedanz dar, so strahlt der Strahl HF-Energie in den Gitter-Anoden-Hohlraum ab, die in den Kathoden-Gitter-Raum zurückgekoppelt werden kann. Dies kann zu einer unerwünschten Rückkopplung der Strahlmodulation führen, d. h, einer Eigenschwingungsbedingung, bei der der Elektronenstrahl noch mit einer Frequenz moduliert wird, die von den Resonanzfrequenzen der Hohlräume bestimmt wird. Diese unerwünschte Modulation des Elektronenstrahls stört das HF-Signal, das der Verstärker mit induktiver Auskopplung verstärken soll, und die abgestrahlte HF-Energie verringert die Leistung des modulierten Strahls, wodurch die Verstärkung des Verstärkers sinkt. In Ausnahmefällen kann die Eigenschwingung Spannungen erzeugen, die so hoch sind, dass sie den Verstärker zerstören.
Ein Ansatz zum Beseitigen des Eigenschwingproblems besteht darin, den Hohlraum mit verlustbehaftetem Material zu füllen, damit der Elektronenstrahl im Frequenzband, in dem der Verstärker mit induktiver Auskopplung arbeitet, eine niedere Impedanz vorfindet. Bekanntlich zeigt mit Ferrit gefülltes Silikonkunstharzmaterial in UHF- und Mikrowellen-Frequenzbereichen eine geringe Impedanz, und es kann sehr hohen Gleichspannungen im Bereich von einigen zehn Kilovolt standhalten. Ein Nachteil bei der Verwendung von derartigem verlustbehafteten Material besteht darin, dass es arbeitsintensiv und damit teuer ist, das Material im Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich anzubringen. Zudem lässt mit der Zeit die Beständigkeit des Materials gegen hohe Spannungen nach, wodurch die Leistungsfähigkeit des Verstärkers mit induktiver Auskopplung abnimmt.
Damit wünscht man, einen Verstärker mit induktiver Auskopplung bereitzustellen, der einen Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich mit geringer Impedanz besitzt und Eigenschwingungen vermeidet. Man wünscht zudem, die Abhängigkeit von verlustbehaftetem Ferritmaterial zu vermeiden, mit dem die Impedanz des Wechselwirkungsbereichs verringert wird.
Das US-Patent 5,650,751 zeigt eine Signaleingabebaugruppe für eine Linearstrahl-Verstärkungsvorrichtung, die eine axial zentrierte Elektronenaussendungskathode und mit Abstand dazu eine Anode aufweist, wobei die Kathode in Abhängigkeit von einem relativ hohen Spannungspotential, das zwischen der Kathode und der Anode bestimmt ist, einen Elektronenstrahl liefert, sowie ein Steuergitter, das mit Abstand zwischen der Kathode und der Anode liegt und der Modulation des Elektronenstrahls abhängig von einem Eingangssignal dient, wobei die Signaleingabebaugruppe umfasst:
einen Eingabehohlraum, der ein Mittel zum induktiven Koppeln des Eingangssignals in den Eingabehohlraum enthält, wobei das Gitter mit dem Eingabehohlraum gekoppelt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt wird eine Signaleingabebaugruppe für eine Linearstrahl-Verstärkungsvorrichtung, die umfasst: eine axial zentrierte Elektronenaussendungskathode und mit Abstand dazu eine Anode, wobei die Kathode als Reaktion auf ein relativ hohes Spannungspotential, das zwischen der Kathode und der Anode bestimmt ist, einen Elektronenstrahl Liefert, und ein Steuergitter, das sich mit Abstand zwischen der Kathode und der Anode befindet und den Elektronenstrahl abhängig von einem Eingangssignal moduliert, wobei die Signaleingabebaugruppe umfasst:
einen Eingabehohlraum, der eine Einrichtung enthält, die das Eingangssignal induktiv in den Eingabehohlraum koppelt, wobei das Gitter mit dem Eingabehohlraum verbunden ist,
gekennzeichnet durch
einen beweglichen Abstimmkolben, der innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, wobei die induktive Koppelvorrichtung mit dem Abstimmkolben verbunden ist und eine gemeinsame Bewegung damit erlaubt; und
einen Gitter-Anoden-Hohlraum, der benachbart zum Eingabehohlraum angeordnet ist und mit einem Wechselwirkungsbereich verbunden ist, der zwischen dem Gitter und der Anode bestimmt ist, wobei der Gitter-Anoden-Hohlraum dem Wechselwirkungsbereich eine geringe Impedanz zeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine Querschnitts-Seitenansicht eines Verstärkers mit induktiver Auskopplung gemäß den Aspekten der Erfindung;
2 eine Querschnitts-Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Signaleingabebaugruppe für den Verstärker mit induktiver Auskopplung;
3 eine Querschnitts-Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Signaleingabebaugruppe für den Verstärker mit induktiver Auskopplung;
4 eine vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht des Verstärkers mit induktiver Auskopplung, wobei die Kathoden-, Gitter- und Anodenbaugruppen dargestellt sind;
5 eine Querschnittsansicht des Endes der Signaleingabebaugruppe des Verstärkers mit induktiver Auskopplung; und
6 eine vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht einer Kathodenhülle, die mit einer Signaleingabebaugruppe der Erfindung verbunden ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Erfindung erfüllt den Wunsch nach einem Verstärker mit induktiver Auskopplung, der einen Wechselwirkungsbereich mit geringer Impedanz zwischen dem Gitter und der Anode hat. Die niedere Impedanz wird erreicht, ohne dass wie bei herkömmlichen Systemen verlustbehaftetes Ferritmaterial erforderlich ist, und dient dazu, HF-Abstrahlung vom modulierten Elektronenstrahl in den Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich zu verhindern. In der folgenden ausführlichen Beschreibung dienen gleiche Bezugszeichen dazu, gleiche Elemente zu bezeichnen, die in einer oder mehreren Abbildungen dargestellt sind.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, die einen Verstärker mit induktiver Auskopplung darstellt. Der Verstärker mit induktiver Auskopplung enthält drei Hauptabschnitte einschließlich eines Elektronenstrahl-Erzeugungssystems 20, einer Driftröhre 30 und eines Sammlers 40. Das Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 20 liefert einen axial gerichteten Elektronenstrahl, der von einem HF-Signal in seiner Dichte moduliert ist. Das Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 20 und die Schaltung, die zum Koppeln des HF-Signals in das Elektronenstrahl-Erzeugungssystem verwendet wird, werden im Weiteren ausführlicher beschrieben.
Der modulierte Elektronenstrahl durchläuft die Driftröhre 30, die einen ersten Driftröhrenabschnitt 32 und einen zweiten Driftröhrenabschnitt 34 umfasst. Der erste Driftröhrenabschnitt 32 und der zweite Driftröhrenabschnitt 34 sind durch einen Spalt getrennt und weisen jeweils einen axialen Strahltunnel auf, der durch sie hindurch verläuft. Ein hochfrequenzdurchlässiger Mantel 36, der beispielsweise aus Keramikmaterialien besteht, umschließt die Driftröhrenabschnitte und liefert einen Teil der Vakuumabdichtung für die Vorrichtung. Ein Ausgabehohlraum (nicht dargestellt) kann an den hochfrequenzdurchlässigen Mantel 36 angekoppelt sein, damit man dem modulierten Strahl beim Durchlaufen des Spalts hochfrequente elektromagnetische Energie entnehmen kann.
Der Sammler 40 umfasst eine innere Struktur 42 und ein äußeres Gehäuse 38. Die innere Struktur 42 weist eine axiale Öffnung auf, damit der verbrauchte Elektronenstrahl hindurchgehen kann und gesammelt wird, nachdem er die Driftröhre 30 durchquert hat. An die innere Struktur 42 kann eine Spannung angelegt sein, die unter die Spannung des äußeren Gehäuses 38 gedrückt ist. Diese beiden Strukturen können elektrisch gegeneinander isoliert sein. Die innere Struktur 42, siehe 1, bietet eine einzige Kollektorelektrodenstufe. Wahlweise kann die innere Struktur 42 mehrere Kollektorelektrodenstufen umfassen, die jeweils auf eine unterschiedliche Kollektorspannung gezogen sind. Ein Beispiel für einen Verstärker mit induktiver Auskopplung, der einen Kollektor mit mehreren Spannungsstufen hat, wird vom genannten US-Patent 5.650,751 (R. S. Symons) bereitgestellt.
Der Sammler 40 kann zudem ein thermisches Regelsystem enthalten, das Wärme von der inneren Struktur 42 abführt, die sich von den auftreffenden Elektronen ausbreitet.
Das Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 20 ist in 4 ausführlicher dargestellt. Es enthält eine Kathode 8 und ein eng benachbartes Steuergitter 6. Die Kathode 8 ist am Ende einer zylindrischen Hülle 23 angeordnet, die eine innere Heizspule 25 enthält, die mit einer Heizspannungsquelle (im Weiteren beschrieben) verbunden ist. Die Kathode 8 wird von einem Gehäuse gehalten, das eine Kathodenendplatte 13, einen ersten zylindrischen Mantel 12 und einen zweiten zylindrischen Mantel 16 enthält. Der erste zylindrische Mantel 12 und der zweite zylindrische Mantel 16 bestehen aus elektrisch leitenden Materialien, beispielsweise Kupfer, die axial miteinander verbunden sind. Die Kathodenendplatte 13 erlaubt einen elektrischen Anschluss der Kathode 8. Dies wird im Folgenden beschrieben. Eine lonenpumpe 15 ist mit der Kathodenendplatte 13 verbunden. Sie dient dazu, positive Ionen innerhalb des Elektronenstrahl-Erzeugungssystems 20 zu entfernen, die bekanntlich während des thermionischen Emissionsvorgangs von Elektronen erzeugt werden.
Das Steuergitter 6 ist eng benachbart zur Oberfläche der Kathode 8 angeordnet. Es ist an eine Vorspannungsquelle (im Weiteren beschrieben) angeschlossen, die relativ zur Kathode 8 eine Vorspann-Gleichspannung aufrechterhält, und an ein Hochfrequenz-Eingangssignal, das die Dichte des Elektronenstrahls moduliert, den die Kathode aussendet. Das Gitter 6 kann aus einem elektrisch leitenden und thermisch langlebig gemachten Material bestehen, beispielsweise pyrolytischem Graphit. Das Gitter 6 wird mechanisch von einem Gitterträger 26 gehalten. Der Gitterträger 26 koppelt die Vorspannung und das Hochfrequenz-Eingangssignal auf das Gitter 6, und er hält das Gitter in einer passenden Position und in einem geeigneten Abstand bezüglich der Kathode 8. Ein Beispiel einer Gitterträgeranordnung für einen Verstärker mit induktiver Auskopplung findet man im US-Patent 5,990,622, Inhaber Litton Systems.
Der Gitterträger 26 ist über einen Kathodengitterisolator 14 und eine Gitterendplatte 18 mit dem Kathodengehäuse verbunden. Der Isolator 14 besteht aus einem elektrisch isolierenden und Wärme leitenden Material, beispielsweise Keramik, und hat die Form eines Kegelstumpfs. Die Gitterendplatte 18 hat die Form eines Rings und ist so mit einem Ende des Kathodengitterisolators 14 verbunden, dass sich die Kathodenhülle 23 durch sie hindurch erstreckt. Die Gitterendplatte 18 erlaubt den elektrischen Anschluss des Gitters 6, siehe die folgende Beschreibung. Der Gitterträger 26 enthält einen zylindrischen Fortsatz, der axial mit der Gitterendplatte 18 verbunden ist. Der Durchmesser des zylindrischen Fortsatzes des Gitterträgers 26 ist größer als ein entsprechender Durchmesser der Kathodenhülle 23, damit ein Abstand zwischen dem Gitter 6 und der Kathode 8 vorhanden ist und die Vorspann-Gleichspannung abgehalten wird, die dazwischen anliegt.
Die Vorderkante des ersten Driftröhrenabschnitts 32 hat Abstand zur Gitterstruktur 26 und stellt eine Anode 7 für das Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 20 dar. Eine Anodenendplatte 24 hält den ersten Driftröhrenabschnitt 32 in einer axialen Position bezüglich der Kathode 8 und des Gitters 6. Die Anodenendplatte 24 erlaubt den elektrischen Anschluss der Anode 7, siehe die folgende Beschreibung. Die Anodenendplatte 24 ist über einen Isolator 22, der aus einem hochfrequenzdurchlässigen Material besteht, beispielsweise Keramik, mit der Gitterendplatte 18 verbunden. Der Isolator 22 liefert ei nen Teil des Vakuumeinschlusses für den Verstärker mit induktiver Auskopplung und umschließt den Wechselwirkungsbereich, der zwischen dem Gitter 6 und der Anode 7 bestimmt, und für den die Erfindung eine Struktur mit geringer Impedanz bereitstellt. Der Isolator 22 wird von einer Dichtung 38 bedeckt, die eine gewellte Oberfläche hat, damit der Weg der Durchschlagsspannung zwischen dem Gitter 6 und der Anode 7 länger wird. Die Dichtung 38 kann aus Silikonkunststoffmaterial bestehen.
Anhand von 2 wird nun eine erste Ausführungsform einer Signaleingabebaugruppe für den Verstärker mit induktiver Auskopplung erläutert. Die Signaleingabebaugruppe umfasst drei konzentrische Zylinder. Ein Außenzylinder 62 liefert ein Außengehäuse für die Signaleingabebaugruppe. Eine Endplatte 61 verschließt ein erstes Ende des Außenzylinders 62. Das gegenüberliegende Ende des Außenzylinders 62 weist einen gebogenen Flansch 63 auf, der an einem äußeren Umfangsabschnitt der Anodenendplatte 24 mit dieser verbunden ist. Der Außenzylinder 62 ist über eine isolierte Zuleitung mit Masse verbunden, und die Anode ist über die Anodenendplatte 24 mit der Masse verbunden. Durch den Außenzylinder 62 verlaufen Lufteinlass- und Luftauslassleitungen 65, 67, die dem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem einen Kühlluftstrom liefern. In der weiteren Beschreibung wird erklärt, dass der Außenzylinder 62 einen Teil des Gitter-Anoden-Hohlraums bildet.
Ein Zwischenzylinder 64 ist mit Abstand innerhalb des Außenzylinders 62 auf einer gemeinsamen Achse mit dem Außenzylinder angeordnet. Ringförmige Abstandshalter 71, 73, die aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen, beispielsweise Keramik, verbinden den Zwischenzylinder 64 mit dem Außenzylinder 62. Ein erstes Ende des Zwischenzylinders 64 endet, bevor es die Endplatte 61 erreicht, so dass dazwischen ein Spalt verbleibt. Das gegenüberliegende Ende des Zwischenzylinders 64 ist elektrisch über einen Sockel 19 in Form eines Kegelstumpfs mit der Gitterendplatte 18 verbunden.
Ein Innenzylinder 66 ist mit Abstand innerhalb des Zwischenzylinders 64 auf einer gemeinsamen Achse angeordnet. Ringförmige Abstandshalter 81, 83, die aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen, beispielsweise Keramik, verbinden den Zwischenzylinder 64 mit dem Innenzylinder 66. Ein erstes Ende des Innenzylinders 66 endet am gleichen axialen Punkt wie das erste Ende des Zwischenzylinders 64. Das gegenüberliegende Ende des Innenzylinders 66 ist mit der Kathodenendplatte 13 verbunden.
Eine Kathodenspannungsquelle mit dem Namen KATHODE legt über eine elekt risch isolierte Zuleitung eine hohe negative Gleichspannung, beispielsweise -32 kV, an die Kathodenendplatte 13 an. In ähnlicher Weise liefern Quellen mit den Namen HEI-ZUNG und IONENPUMPE über entsprechende elektrisch isolierte Zuleitungen Strom für den Kathodenheizer 25 und die Ionenpumpe 15. Eine Spannungsquelle mit dem Namen VORSPANNUNG legt eine Vorspann-Gleichspannung, beispielsweise 200 V gegen die Kathode 8, über eine elektrisch isolierte Zuleitung an den Innenzylinder 66 an.
Anhand eines kurzen Blicks auf 6 wird die Verbindung zwischen dem Innenzylinder 66 und der Kathodenendplatte 13 ausführlicher erläutert. Eine Hülse 67 enthält an ihrem einen Ende mehrere leitende Finger 69. Die Hülse 67 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer, und enthält zudem eine dielektrische Schicht 85, die um den Umfang der Hülse gewickelt ist. Die Hülse 67 ist innerhalb des Innenzylinders 66 angeordnet, wobei die dielektrische Schicht 85 die Innenfläche des Innenzylinders direkt berührt und die leitenden Finger 69 elektrisch mit der Kante der Kathodenendplatte 13 verbunden sind. Die dielektrische Schicht 85, die z.B. aus KAPTON, TEFLON oder Nylon bestehen kann, dient als Drossel (d. h. als Gleichspannungsabblock- oder Umleitkondensator), damit eine Gleichspannungsisolation zwischen der Kathodenendplatte 13 und dem Innenzylinder 66 vorhanden ist. Dadurch bleibt die Vorspann-Gleichspannung zwischen der Kathode 8 und dem Gitter 6 erhalten. Die Hülse 67 und die dielektrische Schicht 85 erstrecken sich in axialer Richtung weg von der Kathode 8, und zwar in einer Länge von ungefähr λ/4, wobei λ die Wellenlänge des HF-Signals ist, das in die dielektrische Schicht 85 eingegeben wird.
Die leitenden Finger 69 besitzen eine Federvorbelastung, die eine zuverlässige elektrische Verbindung mit der Kathodenendplatte 13 aufrechterhalten. Die leitenden Finger 69 bestehen aus einem elastischen und elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer. Der Gebrauch von leitenden Fingern anstelle einer steifen elektrischen Verbindung vereinfacht und erleichtert den Abbau des Verstärkers mit induktiver Auskopplung von der Signaleingabebaugruppe. Selbstverständlich kann man ähnliche leitende Finger auch dazu verwenden, eine elektrische Verbindung zwischen dem Sockel 19 und der Gitterendplatte 18 so zwischen dem gebogenen Flansch 63 und der Anodenendplatte 24 aufrechtzuerhalten, siehe 2.
Der Zwischenzylinder 64, siehe nochmals 2, und der Innenzylinder 66 stellen eine koaxiale Wellenleitung dar, die sich zum Kathoden-Gitter-Wechselwirkungsbereich erstreckt. Der Raum zwischen den Zylindern bestimmt einen Eingabehohlraum für HF- Eingangssignale, die dem Verstärker mit induktiver Auskopplung zugeführt werden. Der Eingabehohlraum enthält eine Kopplungsschleife 82, die in einer Haube 84 angeordnet ist, die Gleichspannung isolieren kann und beispielsweise aus einem Keramikmaterial besteht, etwa Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die Fähigkeit der Haube 84, Gleichspannung zu isolieren, ist erforderlich, damit das HF-Eingangssignal näherungsweise keine Gleichspannung enthält, die in den Eingabehohlraum gekoppelt wird, der auf einer hohen negativen Gleichspannung liegt (z. B. -32 kV). Die Kopplungsschleife 82 ist elektrisch über eine isolierte Koaxialleitung angeschlossen, damit sie das HF-Eingangssignal aufnimmt (bezeichnet mit HF-EINGANG), das induktiv als HF-Feld in den Eingabehohlraum gekoppelt wird. Die im Eingabehohlraum induzierten HF-Felder breiten sich über den Sockel 19 und die Gitterendplatte 18 aus und führen zu einer HF-Spannung, die zwischen dem Gitter 6 und der Kathode 8 definiert ist. Der Elektronenstrahl, den die Kathode 8 aussendet, wird wie bekannt durch das am Eingabehohlraum anliegende HF-Eingangssignal in der Dichte moduliert.
Man kann den Eingabehohlraum induktiv auf einen gewünschten Frequenzbereich abstimmen. Ein ringförmiger Kurzschlusskolben 68 ist mit einer Gewindestange 72 verbunden und bewegt sich durch die Betätigung der Zahnräder 78 und 77 axial innerhalb des Eingabehohlraums. Das Zahnrad 77 ist mit einer Handkurbel 79 verbunden, die aus einem Teil des Außenzylinders 62 herausragt. Das Zahnrad 78 weist ein axiales Gewindeloch auf, das mit der Gewindestange 72 im Eingriff steht. Das Zahnrad 77 steht im Eingriff mit dem Zahnrad 78, so dass eine Drehung der Handkurbel 79 eine Drehung des Zahnrads 78 und zudem eine axiale Bewegung des Kurzschlusskolbens 68 bewirkt. Der Kurzschlusskolben 68 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Messing oder Aluminium, so dass er HF- und Gleichströme zwischen dem Zwischenzylinder 64 und dem Innenzylinder 66 leitet (d. h. zwischen dem Außenleiter und dem Mittenleiter der koaxialen Wellenleitung). Die Gewindestange 72 besteht aus einem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Nylon. Vom Zahnrad 78 erstreckt sich in axialer Richtung eine Hülse 75, die die Gewindegänge der Gewindestange 72 abdeckt. Natürlich kann man die Position des Kurzschlusskolbens 68 innerhalb des Eingabehohlraums auch mit anderen bekannten mechanischen Systemen kontrollieren, z. B. Motoren, Riemen oder Riemenscheiben ohne Einschränkung hierauf.
Die Kopplungsschleife 82 und die Haube 84 durchdringen einen Abschnitt des Kurzschlusskolbens 68 und sind zusammen mit dem Kurzschlusskolben in axialer Richtung beweglich. Die Haube 84 weist einen verlängerten Abschnitt 86 auf, der sich in a xialer Richtung hinter die Enden des Zwischenzylinders 64 und des Innenzylinders 66 erstreckt. Wahlweise kann man den verlängerten Abschnitt 86 aus getrennten zusammenschiebbaren Elementen herstellen, die sich je nach Erfordernis auseinander- oder zusammenschieben, um sich an die axiale Bewegung des Kurzschlusskolbens 68 anzupassen. Die isolierte koaxiale Zuleitung, die mit der Kopplungsschleife 82 verbunden ist, verläuft durch den verlängerten Abschnitt 86.
Damit man den Kurzschlusskolben 68 leichtgängig und ohne Hängenbleiben im Eingabehohlraum bewegen kann, mag es erforderlich sein, mehrere Gewindestangen zu verwenden, die der Gewindestange 72 in 2 gleichen. Das Zahnrad 78 weist eine axial verbundene Riemenscheibe 74 auf, die sich zusammen mit dem Zahnrad dreht. In ähnlicher Weise ist eine Riemenscheibe 88 konzentrisch um den verlängerten Abschnitt 86 der Haube 84 herum bereitgestellt. Man kann auch mehrere Riemenscheiben 74₁ – 74₄ vorsehen, siehe 5, wobei jede Riemenscheibe zu einer entsprechenden Gewindestange gehört, die mit dem Kurzschlusskolben 68 verbunden ist. Die Riemenscheiben 74₁ – 74₄ und 88 können über einen Riemen 76 verbunden sein, der den Betrieb der Gewindestangen koordiniert. Der Riemen 76 kann aus einem hochfesten Material mit geringem Gewicht bestehen, beispielsweise Nylon, und er kann zudem eine Oberflächenstruktur enthalten, z. B. Zähne, damit er nicht durchrutscht. Eine zusätzliche Riemenscheibe 106, die mit einem Schwenkarm 107 verbunden ist, kann man so bewegen, dass sie gegen den Riemen 76 drückt. Die zusätzliche Riemenscheibe 106 kann dadurch so eingestellt werden, dass sie jeglichen Durchhang im Riemen 76 aufnimmt.
Der Raum, der zwischen dem Außenzylinder 62 und dem Zwischenzylinder 64 bestimmt ist, wird als Gitter-Anoden-Hohlraum bezeichnet, da er eine Parallelresonanz bietet, die direkt in den Wechselwirkungsbereich gekoppelt wird, der zwischen dem Gitter 6 und der Anode 7 bestimmt ist. Damit im Wechselwirkungsbereich eine geringe Impedanz vorhanden ist, bestehen der Außenzylinder 62 und der Zwischenzylinder 64 aus einem Material, das einen hohen Oberflächenwiderstand hat, beispielsweise Eisen oder Stahl. Der hohe HF-Oberflächenwiderstand des Gitter-Anoden-Hohlraummaterials erzeugt eine Parallelresonanz mit geringem Q (d. h. einem geringen Gütefaktor) und folglich einer niederen Impedanz im Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereich. Dadurch wird sämtliche in den Gitter-Anoden-Hohlraum gestrahlte HF-Energie rasch gedämpft und sammelt sich nicht in der Kathode 8 an.
Bekanntlich konzentrieren sich hochfrequente Ströme in einem relativ dünnen Oberflächenbereich eines Leiters; man nennt dies den "Skin-Effekt" eines Leiters. Der Oberflächenwiderstand eines Materials ist proportional zur Quadratwurzel seiner Permeabilität dividiert durch seine Leitfähigkeit. Sowohl Eisen als auch Stahl sind magnetische Metalle mit einem relativ hohen Permeabilitätswert und einem geringen Leitfähigkeitswert. Damit weisen diese Materialien einen relativ hohen Oberflächenwiderstand auf. Der Q-Wert eines Resonators ist definiert als der Quotient aus der gespeicherten Energie (U) und der je Zyklus (P_L/ω) verbrauchten Energie. Der hohe Oberflächenwiderstand des Materials des Gitter-Anoden-Hohlraums bewirkt einen relativ hohen Energieverlust und damit einen geringen Q-Wert. Da Q auch proportional zur Impedanz (Z₀) ist, entspricht eine Verringerung von Q auch einer Reduktion der Impedanz.
Im Einzelnen ist der Wellenwiderstand Z₀ einer Wellenleitung durch die Gleichung
egeben. Dabei ist L die Induktivität je Einheitslänge einer Wellenleitung und C die Kapazität je Einheitslänge der Wellenleitung. Das Verhältnis des Parallelwiderstands (R_SH) zu Q für jede beliebige Resonanzschaltung ist durch die Gleichung gegeben
wobei V_m die größte Spannung an den Anschlüssen ist, an denen R_SH erscheint, ω die Kreisfrequenz und U die in der Leitung gespeicherte Energie. Für einen koaxialen Resonator mit einer Länge, die ein n-faches eines Viertels einer Wellenlänge (λ/4) beträgt, vereinfacht sich das Verhältnis des Parallelwiderstands (R_SH) zu Q auf
Der Q-Wert eines koaxialen Resonators ist proportional zu Z₀ und umgekehrt proportional zum Reihenwiderstand R_S je Einheitslänge, und zwar wie folgt
Damit sollte der hohe Oberflächenwiderstand von Eisen oder Stahl bei der Parallelresonanz im Gitter-Anoden-Hohlraum zu einer geringen Impedanz bzw. zu einem geringen Parallelwiderstand R_SH führen, den man im Wechselwirkungsbereich misst. Da der Quotient R_SH/Q umgekehrt proportional zur Länge ist, ist einsichtig, dass der Parallelwiderstand R_SH umso geringer ist, je länger der koaxiale Resonator ist.
Wie bereits erwähnt stellt der Zwischenzylinder 64 sowohl den Außenleiter für den Eingabehohlraum als auch den Mittenleiter für den Gitter-Anoden-Hohlraum dar. Dies ist aufgrund des besprochenen "Skin-Effekts" möglich. Da sich der Strom bei hohen Frequenzen in einer dünnen Schicht eines Leiters zusammendrängt, wirkt der leitende Zwischenzylinder 64 in der Tat als Sperre, die verhindert, dass der HF-Strom im Eingabehohlraum in den Gitter-Anoden-Hohlraum geleitet wird und umgekehrt. Um einer Verteilung des HF-Stroms im Eingabehohlraum vorzubeugen, wird eine Beschichtung mit geringem Oberflächenwiderstand auf den Oberflächen des Zwischenzylinders 64 und des Innenzylinders 66 angebracht, die zum Eingabehohlraum zeigen. Man kann dies durch das Beschichten der Oberflächen des Eingabehohlraums mit einer Silberlage oder mit einem anderen Material erreichen, das eine hohe Leitfähigkeit und eine geringe Permeabilität hat.
Anhand von 3 wird eine zweite Ausführungsform einer Signaleingabebaugruppe für den Verstärker mit induktiver Auskopplung erläutert. Die zweite Ausführungsform ist generell vergleichbar mit der beschriebenen ersten Ausführungsform aufgebaut. Gleiche Elemente in den beiden Ausführungsformen werden daher nicht nochmals beschrieben. Die Signaleingabebaugruppe der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich durch das Hinzufügen einer justierbaren Drossel, die einen Hochfrequenz-Kurzschluss und einen Gleichspannungs-Leerlauf innerhalb des Gitter-Anoden-Hohlraums liefert, damit eine Wellenleitung bestimmt wird, deren elektrische Länge ungefähr nλ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge des HF-Eingangssignals und n eine gerade natürliche Zahl ist. Bestimmt man die Wellenleitung derart, dass sie eine geradzahlige Vielfache eines Viertels der Wellenlänge λ/4 ist, so ist die Impedanz im Wechselwirkungsbereich null.
Die Drosseleinstellung umfasst mehrere Gewindestangen 91, die sich in einer axialen Richtung durch den Gitter-Anoden-Hohlraum erstrecken. Die Gewindestangen 91 werden drehbar in einem ersten Lager 89 gehalten, das im Abstandshalter 71 angeordnet ist, und in einem zweiten Lager 92, das am gekrümmten Flansch 63 befestigt ist. Die Gewindestangen 91 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Nylon. Eine ringförmige Drosselbaugruppe wird von den Gewindestangen 91 getragen und umfasst einen äußeren Elektrodenabschnitt 93, einen dielektrischen Abschnitt 94 und einen inneren Elektrodenabschnitt 95. Der äußere Elektrodenabschnitt 93 stellt eine ausgedehnte ringförmige Oberfläche bereit, die Abstand zum Außenzylinder 62 hat. Ein leitender Finger 112 erstreckt sich zwischen dem äußeren Elektrodenabschnitt 93 und dem Außenzylinder 62 und stellt eine elektrische Verbindung zwischen beiden Teilen her. Der innere Elektrodenabschnitt 95 umfasst eine schmale Oberfläche, die einen leitenden Finger 111 hat, der den Zwischenzylinder 64 berührt, ein Gewindeloch, das mit den Gewindestangen 91 im Eingriff steht, und eine breite Oberfläche, die den dielektrischen Abschnitt 94 berührt. Der dielektrische Abschnitt 94 umhüllt die breite Oberfläche des inneren Elektrodenabschnitts 95 und weist eine ringförmige Oberfläche auf, die den äußeren Elektrodenabschnitt 93 berührt.
Der dielektrische Abschnitt 94 liefert eine Gleichspannungsisolation zwischen dem Außenzylinder 62 und dem Zwischenzylinder 64, damit eine hohe Gleichspannung zwischen dem Gitter 6 und der Anode 7 beibehalten wird, und kann aus einem geeigneten dielektrischen Material bestehen, beispielsweise KAPTON, TEFLON, Nylon oder Epoxid. Zugleich liefert der dielektrische Abschnitt 94 auch einen HF-Kurzschluss, der den Gitter-Anoden-Hohlraum abschließt. Durch das axiale Anordnen der einstellbaren Drossel innerhalb des Gitter-Anoden-Hohlraums derart, dass sie an einer Reihenresonanzposition liegt, die mit einer geradzahligen Vielfachen einer Viertel Wellenlänge λ/4 des Wechselwirkungsbereichs zwischen dem Gitter 6 und der Anode 7 zusammenfällt, ist die Impedanz im Wechselwirkungsbereich null und es kann sich keine Spannung an ihr aufbauen.
Die axiale Bewegung der Drossel wird über Zahnräder 98 und 97 vermittelt. Das Zahnrad 97 ist mit einer Handkurbel 101 verbunden, die aus einem Teil des Außenzylinders 62 herausragt. Das Zahnrad 98 ist axial mit einer der Gewindestangen 91 verbunden. Das Zahnrad 97 steht im Eingriff mit dem Zahnrad 98, so dass eine Drehung der Handkurbel 101 eine Drehung des Zahnrads 98 und zudem eine axiale Bewegung der einstellbaren Drossel bewirkt. Wie beim beschriebenen Kurzschlusskolben 68 ist es erforderlich, die einstellbare Drossel leichtgängig und ohne Hängenbleiben innerhalb des Gitter-Anoden-Hohlraums zu bewegen. Daher verwendet man mehrere Gewindestangen, die der in 3 dargestellten Gewindestange 91 gleichen. Das Zahnrad 98 weist eine axial verbundene Riemenscheibe 96₁ auf, die sich gemeinsam damit dreht.
Man kann auch mehrere Riemenscheiben 96₁ – 96₄ vorsehen, siehe 5, wobei jede Riemenscheibe zu einer entsprechenden Gewindestange gehört, die mit der einstellbaren Drossel verbunden ist. Die Riemenscheiben 96₁ – 96₄ können über einen Riemen 99 verbunden sein, der den Betrieb der Gewindestangen 91 koordiniert. Der Riemen 99 kann aus einem hochfesten Material mit geringem Gewicht bestehen, beispielsweise Nylon, und er kann zudem eine Oberflächenstruktur enthalten, z. B. Zähne, damit er nicht durchrutscht. Eine zusätzliche Riemenscheibe 104, die mit einem Schwenkarm 105 verbunden ist, kann man so bewegen, dass sie gegen den Riemen 99 drückt. Die zusätzliche Riemenscheibe 104 kann dadurch so eingestellt werden, dass sie jeglichen Durchhang im Riemen 99 aufnimmt. Natürlich kann man die Position der einstellbaren Drossel innerhalb des Gitter-Anoden-Hohlraums auch mit anderen mechanischen Systemen kontrollieren, z. B. Motoren, Riemen oder Riemenscheiben ohne Einschränkung hierauf.
Wahlweise kann man die Hochspannungsdrossel dadurch bereitstellen, dass man eine Schicht dielektrisches Material entlang der Innenfläche des Außenzylinders 62 anordnet. Im Gitter-Anoden-Hohlraum kann man in gleicher Weise wie bei der einstellbaren Drossel anhand von 3 beschrieben einen axial beweglichen Kurzschlusskolben anordnen. Dabei besteht der Kurzschlusskolben aus elektrisch leitenden Materialien, beispielsweise Messing oder Aluminium, damit er sowohl Hochfrequenzströme als auch Gleichströme zwischen dem Zwischenzylinder 64 und der dielektrischen Schicht leitet, die auf dem Außenzylinder 62 vorhanden ist. Auf diese Weise kann man den Gitter-Anoden-Hohlraum so abstimmen, dass er eine Wellenleitung definiert, die eine elektrische Länge von ungefähr nλ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge des HF-Eingangssignals und n eine gerade natürliche Zahl ist. Die Schicht aus dielektrischem Material erhält die hohe Gleichspannung zwischen dem Gitter 6 und der Anode 7.
Natürlich kann man die einstellbare Drossel auch geringfügig aus der Reihenresonanzposition herausbewegen, so dass der Elektronenstrahl auf der Achse des Wechselwirkungsbereichs auf eine kleine induktive Reaktanz trifft. Bei dieser Abstimmung ist die am Wechselwirkungsbereich anliegende Hochfrequenzspannung um 90° gegen den Strahlstrom phasenverschoben. Dadurch sehen die Elektronen vor dem Zentrum des Elektronenbündels eine verzögernde Kraft und die Elektronen hinter dem Zentrum des Bündels eine beschleunigende Kraft. Diese Einstellung beseitigt einige der normalen Raumladungskräfte, die das Bündel aufzulösen versuchen, und verbessert den Wirkungsgrad des Verstärkers mit induktiver Auskopplung.
Es wurde eine bevorzugte Ausführungsform eines Gitter-Anoden-Wechselwirkungsbereichs mit geringer Impedanz für einen Verstärker mit induktiver Auskopplung beschrieben. Fachleute können erkennen, dass damit gewisse Vorteile bei dem beschriebenen System erzielt wurden. Man kann verschiedene Abwandlungen, Anpassungen und andersartige Ausführungsformen des Systems herstellen, ohne den beanspruchten Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise wurden der in 2 und 3 beschriebene Eingabehohlraum und der Gitter-Anoden-Hohlraum koaxial angeordnet. Man kann auch mit Vorteil radial angeordnete Hohlräume verwenden.
Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Signaleingabebaugruppe für eine Linearstrahl-Verstärkungsvorrichtung, die umfasst: eine axial zentrierte Elektronenaussendungskathode (8) und mit Abstand dazu eine Anode (7), wobei die Kathode (8) als Reaktion auf ein relativ hohes Spannungspotential, das zwischen der Kathode (8) und der Anode (7) bestimmt ist, einen Elektronenstrahl liefert, und ein Steuergitter (6), das sich mit Abstand zwischen der Kathode (8) und der Anode (7) befindet und den Elektronenstrahl abhängig von einem Hochfrequenz-Eingangssignal moduliert, wobei die Signaleingabebaugruppe umfasst: einen Eingabehohlraum (64, 66), der eine Einrichtung (82) enthält, die das Eingangssignal induktiv in den Eingabehohlraum koppelt, wobei das Gitter mit dem Eingabehohlraum verbunden ist, gekennzeichnet durch einen beweglichen Abstimmkolben (68), der innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, wobei die induktive Koppelvorrichtung (82) mit dem Abstimmkolben (68) verbunden ist und eine gemeinsame Bewegung damit erlaubt; und einen Gitter-Anoden-Hohlraum (62, 64), der koaxial zum Eingabehohlraum angeordnet ist und mit dem Wechselwirkungsbereich verbunden ist, der zwischen dem Gitter und der Anode bestimmt ist, wobei der Gitter-Anoden-Hohlraum dem Wechselwirkungsbereich eine geringe Impedanz zeigt.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 1, worin der Gitter-Anoden-Hohlraum (62, 64) aus einem Material besteht, das einen relativ hohen spezifischen Hochfrequenz-Oberflächenwiderstand aufweist.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 1, worin der Gitter-Anoden-Hohlraum und der Eingabehohlraum durch eine gemeinsame elektrisch leitende Wand (64) getrennt sind.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 3, worin der Gitter-Anoden-Hohlraum im Wesentlichen von einer Außenwand (62) umschlossen ist, und sowohl die gemeinsame Wand (64) als auch die Außenwand (62) aus einem Material bestehen, das einen relativ hohen spezifischen Hochfrequenz-Oberflächenwiderstand hat.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 2, worin das Material des Gitter-Anoden-Hohlraums zudem Eisen umfasst.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 1, worin der Eingabehohlraum mit einer Beschichtung versehen ist, die einen relativ geringen spezifischen Hochfrequenz-Oberflächenwiderstand hat.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 6, worin die Beschichtung mit dem relativ geringen spezifischen Hochfrequenz-Oberflächenwiderstand Silber enthält.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 1, worin der Gitter-Anoden-Hohlraum zudem eine Einrichtung (91) enthält, die dem Abstimmen des Gitter-Anoden-Hohlraums dient, damit eine Wellenleitung bestimmt wird, die eine elektrische Länge hat, die ungefähr gleich nλ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge des eingegebenen Hochfrequenzsignals ist, und n eine gerade natürliche Zahl.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 8, worin die Abstimmeinrichtung für den Gitter-Anoden-Hohlraum eine bewegliche Drossel (91) umfasst, die innerhalb des Gitter-Anoden-Hohlraums angeordnet ist, und die Drossel derart ausgelegt ist, dass sie Hochfrequenzströme führt und zugleich eine große Gleichspannung zwischen dem Gitter und der Anode aufrecht erhält.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 1, worin der Eingabehohlraum zudem eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 1, zudem umfassend eine Vorrichtung (36), die in dem Wechselwirkungsbereich zwischen dem Gitter und der Anode eine hochfrequenzdurchlässige Vakuumabdichtung liefert, die den Strahl umschließt.
Signaleingabebaugruppe nach Anspruch 11, worin die Vorrichtung, die eine hochfrequenzdurchlässige Vakuumabdichtung liefert, ein Silikonkunstharzmaterial umfasst, das im Wesentlichen frei von Elementarbestandteilen ist, die Hochfrequenz absorbieren.