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Elektronenröhrenanordnung zur Erzeugung ultrakurzer Wellen in Rückkopplungsschaltung
Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhrenanordnung für ultrakurze Wellen, insbesondere
des Dezimeter- und Zentimeterwellengebietes, mit einer Dreielektrodenröhre, an deren
Elektroden ein Anfachresonator und ein Steuerresonator angeschlossen sind und bei
der mindestens der Anfachresonator von einem gegen den Austritt von Verlusbetrablung
allseitig abgeschlossenen Hohlraum mit metallischer Innenfläche gebildet wird. Erfindungsgemäß
bildet die Wandung des als Anfachresonator dienenden Hohlkörpers das Vakuumgefäß
der Röhre und sind in der Röhre zusätzliche Kopplungsmittel vorhanden in Form von
Kopplungskanälen von Resonanzlänge. Diese dienen zur Rückkopplung eines Teiles der
Ultrahochfrequenzenergie des Anfachresonators in den Steuerresonätor. Es findet
somit eine direkte Einwirkung der Energie des Anfachresonators auf die im Steuerresonator
vorhandene Elektronenströmung statt.
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Um eine Selbststeuerung zu erhalten, soll diese Kopplung vorzugsweise
derartig beschaffen sein, daß das entsprechende Steuerfeld dem Feld infolge Durchgriffs
der Anode in den Steuerraum zwischen Gitter und Kathode entgegengesetzt gerichtet
ist. Durch geeignete Abmessung dieser Kopplungseleinente läßt sich die Kopplung
zwischen Anfachresonator und Steuerraum so groß wählen, daß der in den Anfachraum
eintretende Elektronenstrom seine maximale bzw. günstigste Aussteuerung erfährt.
Die vorgeschlagene Röhrenanordnung eignet sich sowohl zum Arbeiten bei Laufzeiten
der Elektronen zwischen Kathode und Anode, welche klein im Vergleich -zur Periodendauer
der angefachten Schwingung sind, als auch zum Arbeiten bei Elektronenlaufzeiten,
welche von kleinerer Größenordnung oder größer als die Periodendauer der Schwingung
sind.
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Die vorgeschlagene Röhrenanordnung zeigt gegenüber bekannten Anordnungen
den Vorteil geringer Verluste, besonders geringer Strahlungs- und Ableitungsverluste,
und wegen der vollkommenen Abschirmung aller an der Schwingüngsanfachung beteiligten
Räume eine große Betriebssicherheit und Betriebskonstanz.
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Da der Steuerraum bzw. die zur zusätzlichen Kopplung benutzten Kopplungskanäle
ebenfalls ganz innerhalb eines durch Metallwände geschlossenen Hohlraumes und in
besonders einfacher Weise innerhalb des auch den Anfachresonator umschließenden
Metallkörpers untergebracht werden können, ergibt sich der Vorteil, daß keine Strahlungsverluste
an den zur Kopplung und Steuerung benutzten Elementen auftreten können. Wie aus
den Ausführungsbeispielen noch näher hervorgelit, können auch die Ohmschen Verluste
innerhalb einer solchen Hohlraumröhre sehr klein gehalten werden. Ferner lassen
sich die Speiseleitungen zu den Elektroden der Röhre in Spannungsknoten derselben
zuführen, so daß ein Minimum an Schwingungsenergie durch Ableitung verilorengdht.
Erfindungsgemäß
erfolgt die zusätzliche Ankopplung des Steuerraumes an den Anfachresonator über
Leiter bzw. Kopplungskanäle von Resonanzlänge. Dies bietet vor allen, Dingen dann
Vorteile, wenn auch der Steuet*.# rauen im Spannungsbauch eines SteuerresG'1:, nators
angeordnet ist, der insbesondere deit:@ Zweck hat, Schwingungsenergie von den Speiseleitungen
der, Kathode fernzuhalten. Die phasenrichtige Ankopplung des Steuerraumes an den
Anfachresonator erfolgt dann zweckmäßig über konzentrische Energieleitungen von
geeignetem Wellenwiderstand. Ist eine solche Energieleitung im Spannungsknoten sowohl
mit dein Anfachresonator als auch mit dem Steuerresonator gekoppelt, so kann die
Energieleitung gleich oder äquivalent der halben Wellenlänge gewählt werden.
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Ausführungbeispiele der Erfindung zeigen die Abb. i bis 3 a.
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Die Abb. i und i a zeigen eine Elektronenröhre im Längs- und *Querschnitt
mit zylindrischen und konzentrischen Elektroden und einem aus konzentrischen Leitern
bestehenden Anfachresonator.
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Die Abb. -2 und -2a zeigen ebenfalls im Längs- und Querschnitt eine
Elektronenröhre mit zylindrischen und konzentrischen Elektroden und mit einem symmetrisch
zu den Elektroden gelegenen Anfachresonator.
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In den Abb. 3 und 3 a ist schließlich noch eine Röhre mit scheibenförmigen
Resonanzräumen und symmetrisch in der Umgebung der Achse gelegenen Elektroden dargestellt.
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Die Abb. i und i a zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
welchem die Ankopplung des Steuerraumes an den Anfachresonator über Leiter von Resonanzlänge
erfolgt. Der Anfachresonator besteht aus einem gefäßförmigen Metallhohlkörper 26
und einem zylindrischen Innenleiter 27. Der Steuerresorator liegt ganz innerhalb
des Anfachresonators und wird von den konzentrischen Leitern 27 und 28 begrenzt.
Die unteren Enden der Leiter 27, 26, 28 sind mit Anode 3, Gitter 2 und Kathode i
versehen. Am oberen Ende im Spannungsknoten des Anfach- und Steuerresonators schließt
sich eine beide Resonatoren verbindende, vorteilhaft auf die halbe Wellenlänge abgestimmte
Kopplungsleitung an. Die beiden zueinander konzentrisch verlaufenden Teile innerhalb
des Innenleiters a' stehen an ihrem oberen Ende miteinander in Verbindung. Der gesamte
Kopplungskanal umschließt also schleifenförmig den Hohlzylinder 35, der die Fortsetzung
des Leiters 27 bildet. Entsteht zwischen der Anode und dem unteren Ende des Anfachresonators
ein Spannungsbauch und am oberen Ende an der Übergangsstelle in den Kopplungskanal
ein Spannungsknoten, so tritt auch am oberen Ende des schleifenförmigen Kopplungskanals
ein Spannungsbauch auf, über den der Steuerresonator mit dein Anfach--:resonator
gekoppelt ist. An der C'bergangs-#fle des, Kopplungskanals in den Steuerreso-`y
11'@t6r tritt wieder ein Spannungsknoten und "iri- unteren Ende des Steuerresonators
zwisehen Kathode und Gitter ein Spannungsbauch auf. Das zwischen Gitter und Kathode
entstehende Wechselfeld ist daher entgegengesetzt, wie das im Steuerrauin infolge
Durchgriffs entstehende Felde gerichtet. Die Elektronenströmung kann also phasenrichtig
durch dieses Steuerfeld gesteuert werden. Durch die Wahl des Wellen@v iderstandes
von Anfach-und Steuerresonator bzw. des Kopplungskanals hat man es in der Hand,
die richtige Größe der Steueramplitude im Steuerraum einzustellen.
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Konzentrisch um den an den Anfachresonator im Spannungsknoten anschließenden
Kopplungskanal # erläuft die Energieleitung .I; S, durch welche die Antenne 6 bzw.
das Gegengewicht g an den Anfachresonator angekoppelt ist. Dadurch, daß die beiden
Leitungskanäle zur Ankopplung des Steuerraumes und zur Ankopplung der Antenne an
den Anfachresonator im Spannungsknoten parallel an diesen anschließen, ergibt sich
eine Aufteilung der über diese beiden Kanäle abfließenden Schwingungsenergie. Die
Verteilung der Schwingungsenergie auf die beiden Leitungen kommt in der Weise zustande,
daß der an dem oberen Ende des Anfachresonators auf der Oberfläche der beiden Leiter
26 und 2,- fließende Schwingstrom teilweise kapazitiv zwischen den Leitern 4'. 8
bzw. .a', 35 übergeht und um die untere Kante des Innenleiters 4' fließt. Durch
die Wahl der Wellenwiderstände dieser Leitungen und der an sie anschließenden Resonatoren
kann erreicht werden, daß die optimale Wechselamplitude im Steuerraum des Steuerresonators
entsteht und die Antenne optimal' an den :@nfachresonator angepaßt ist.
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Das freie Ende des Gitters 2 ist durch eine Metallkappe 36 abgeschlossen,
an die isoliert die Haarnadelkathode i befestigt ist. Das eine Heizfadeneride ist
mit dem zvlindrischen Leiter 28 verbunden, der ohne Querschnittänderung im Spanungsknoten
des Steuerresonators in den Leiter 4" übergeht, der an seinem oberen Ende im Innern
des Leiters .a.' mit diesem galvanisch verbunden ist. Die zweite Heizzuleitung 29
verläuft isoliert im Innern des Leiters 28 bis zum Spannungsknoten des Steuerresonators
und durchsetzt zusammen mit der Zuleitung 29' isoliert die konzentrischen Leiter
35, a' und B. Die Glasverschmelzung 2ö dient zur vakuumdichten Einführung der Heizzuleitungen
29 und 29'.
Die Gitterelektrode erhält eine Spannungszuleitung i9
ebenfalls im auftretenden Spannungsknoten, welche die Leiter 4' und 8 durchsetzt
und an den Leiter 35 angeschlossen ist. Die Glasverschmelzung 20 schließt die Einführung
i9 vakuumdicht nach außen hin ab. Es wird also durch die Anordnung der Strom- bzw.
Spannungszuführungen zu Gitter und Kathode im Spannungsknoten des Resonators erreicht,
daß ein Minimum an Ableitungsverlusten auftritt, und besondere Drosselorgane überflüssig
werden: Röhren von größerer Symmetrie und größerem Schwungradwi'derstand erhält
man mit einem auf die halbe Wellenlänge abgestimmten Resonator. Die in Abb. i und
i a dargestellte Röhre läßt sich z. B. so ausgestalten, daß Anfach- und Steuerresonator
zu einer im Spannungsknoten durch die Röhre senkrechten Ebene symmetrisch ergänzt
werden. Die Energieleitung zur Ankopplung einer Antenne könnte dann in der Umgebung
des Spannungsknotens zweckmäßig senkrecht an die den Anfachresonator begrenzenden
Leiter anschließen.
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Eine ebenfalls sehr symmetrische Anordnung mit auf A,/- abgestimmten
Resonatoren mit jedoch nur einem Elektrodensystem ist in den Abb. 2 und 2 a dargestellt.
Das Elektrodensvstem besteht aus einer fadenförmigen Kathode i, einem dazu konzentrischen
zylindrischen Gitter 2 und einer ebenfalls hierzu konzentrischen zylindrischen Anode
3. Alle drei Elektroden sind nach beiden Seiten durch zylindrische Leiter zu Resonatoren
bzw. zu an diese anschließende Energieleitungen bzw. Kurzschlußkondensatoren von
Resonanzlänge verlängert. Die Anode ist zu dein zylindrischen Metallgehäuse 39 verlängert,
an dessen unterem Ende sich das am Ende abgesohlossene zylindrische Rohr 40 von
geringerem Durchmesser .als der Außenleiter des Resonators anschließt. Das obere
Ende des Außenleiters 39 wird durch den Außenleiter 8 der Energieleitung 8, 4. mit
ebenfalls geringerem Durchmesser fortgesetzt. An das Gitter schließen sich zu beiden
Enden die Metalli-ohre 4i und 41' an. Das Rohr 41' geht ohne Ouerschnittsänderung
in das am Ende offene Rohrstück 42 über. Das Rohr 41 wird am Röhrenende durch den
Innenleiter 4 der Energieleitung fortgesetzt. Innerhalb der Rohre 4, 41, 41' und
42 liegen konzentrisch die- an die Kathode anschließenden Leiter 43 und 43'. Der
zylindrische Leiter 43 wird nach oben durch den zylindrischen Leiter 44 und der
ebenfalls zylindrische Leiter 43' nach unten durch den Leiter 44' fortgesetzt, der
einen geringeren Durchmesser hat als der Leiter 43'. An das untere Ende des: Rohres
40 schließt sich nach innen das Rohr 48 an, welches den Leiter 41' umgibt. Es entstehen
somit zwei Resonanzräume, die durch die ringförmigen Spalte zwischen den -Rohren
40, 4.2 und 48 miteinander gekoppelt sind. Der als Anfachresonator dienende Resonanzraum
wird von G'_tter, Anode und den Leitern 39, 41 und 41' begrenzt. Der als Steuerresonator
dienende Resonanzraum wird von der Kathode, Gitter und den Leitern 41, 41', 43 und
43' begrenzt. Die Leiter 40 und 42 bzw. 42 und 44 bilden auf die Viertelwellenlänge
abgestimmte Kurzschlußkondensatoren für den Anfach- bzw. Steuerresonator, so daß
sich an der Übergangsstelle der Resonatoren in die Kurzschlußkondensatoren Spannungsknoten
der Schwingungen ausbilden. Die gleiche Funktion erfüllen die Leiter 4,
44 für den Steuerresonator am oberen Ende. Die konzentrischen Leiter 4.,
8, die an den Anfachresonator am oberen Ende anschließen, bilden die Energieleitung
zur Ankopplung der Antenne 6 bzw. des Gegengewichtes o an den Anfachresonator. Im
unteren Spannungsknoten der Resonatoren sind die Spannungszuführung i9 zu dem Gitter
und die Zuleitungen 29, 29' zur Kathode vakuumdicht ins Innere der Röhre geführt.
In den Spannungsknoten sind ferner wieder Ringe aus Isoliermaterial zur Abstützung
der konzentrischen Leiter vorgesehen.
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Zur zusätzlichen Kopplung zwischen Anfachresonator und Steuerresonator
dient, wie schon erwähnt, der rohrförmige Leiter 4.2, der am unteren Ende des Resonators
offen gelassen ist. Das Ende des Leiters 40 ist zusätzlich mit einem Rohr 48 versehen,
das mit dem Leiterende 44' einen KurzschIußkondensator bildet. Durch die zylindrischen
und rohrförmigen Leiter 40, 47 und 48 wird ein Kopplungskanal zwischen Anfachresonator
und Steuerresonator gebildet, der die gleiche Wirkung hat wie der Kopplungskanal
in dem Beispiel der Abb. i. Der Wellenwiderstand dieses Kopplungskanals kann wieder
so gewählt werden, daß die richtige Amplitude der Wechselspannung im Steuerraum
zwischen Kathode und Gitter entsteht.
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Da die in den vorausgehenden Beispielen verwendeten Leiter zur Bildung
der Resonatoren bzw. Kopplungselemente als zylindrische Rohre ausgebildet sind,
lassen sie sich durch Drehen sehr genau herstellen, so daß die errechneten Wellenwiderstände
beim Zusammenbau der Röhre sehr genau eingehalten werden können. Ferner zeichnen
sich diese Röhrenkonstruktionen dadurch aus, daß eine draht- bzw. fadenförmige Kathode
verwendet werden kann. Ähnliche Vorteile ergeben sich bei ebener Ausbildung der
Elektroden und der an die Elektroden anschließenden Leiter zur Bildung von geeigneten
Resonanzräumen.
Gegen Strahlungsverluste geschützte geschlossene
Resonanzräume lassen sich im besonderen mittels scheibenförmiger, an den Rändern
geschlossener Leiter erzielen.
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Die Abb. 3 und 3 a stellen eine derartige Röhre mit ebenen Elektroden
und scheibenförmigen Resonanzräumen dar. Die Konstruktionselemente dieser Röhre
bestehen im wesentlichen aus dem scheibenförmigen Metallgehäuse 68, bestehend aus
einer Grund- und Deckwand 69, 70 und einem Mantel 8o. Im Innern des Metallgehäuses
68 befindet sich durch Isolatoren 81 abgestützt eine Metallplatte 82 von etwas geringerem
Durchmesser als der Innendurchmesser des Gehäuses. Zwischen der Platte 82 und der
Wand 7o des Gehäuses befindet sich eine ebenfalls isoliert abgestützte Metallplatte
83. welche annähernd nur den halben Durchmesser wie das Gehäuse bzw. die Metallplatte
8z aufweist. In der Umgebung der Symmetrieachse trägt die Platte 83 eine ebene Kathode
6o und die Platte 82 ein Gitter 61. Die untere Gehäusewand 69 dient in der Umgebung
der Symmetrieachse als Anode 62. Ferner ist noch die Wand 7o des Gehäuses mit einer
Öffnung 63 versehen, durch die eine mit der Platte 83 verbundene Antenne 64 in den
Außenraum ragt. Die Spannungs- und Reizzuleitungen 65 und 66 zu Gitter und Kathode
sind im gleichen Abstand von der Achse senkrecht durch die Resonanzräume und isoliert
durch das Gehäuse 68 geführt.
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Die Wirkungsweise der Röhre ist die folgende: Der Raum zwischen der
Gehäusewand 69 und der Platte 82 bildet einen Anfachresonator, der in seiner Grundschwingung
so schwingt, daß in der Umgebung der Symmetrieachse an der Stelle der angeordneten
Elektroden ein Spannungsbauch oder an der Stelle der angeordneten Isolatoren bzw.
Zuleitungen eine Knotenlinie. und am Rande zwischen der Scheibe 82 und dem zylindrischen
Teil 8o wieder ein Spannungsbauch entsteht. Der genaue Abstand der Spannungsknotenlinie
von der Achse und damit die günstigste Lage der Isolatoren und Zuleitungen kann
durch Rechnung leicht festgestellt werden. Über den Spannungsbauch am Rande des
scheibenförmigen Anfachresonators ist nun der oberhalb der Platte 82 gelegene scheibenförmige
Raum von zweckmäßig geringerem Wellenwiderstand gekoppelt. Da die beiden durch die
Scheibe 82 getrennten Resonanzräume den gleichen Durchmesser besitzen, haben sie
genau die gleiche Eigenfrequenz. Die Eigenfrequenz des oberhalb der Scheibe 82 gelegenen
Raumes wird auch nicht durch die eingefügte Metallplatte 83 verändert. Durch die
Platte 83 wird jedoch der Teil des oberen Resonanzraumes zwischen der Knotenlinie
und dem Spannungsbauch in der Svmtnetrieachse in zwei Räu:ne unterteilt. Der Zwischenraum
zwischen den Platten 82 und 83 dient als Steuerresonator, der obere Raum zwischen
83 und 7o als Energieleitung zur Ankopplung der- Antenne 64 an den Anfachresonator.
Durch die Wahl der Abstände können die einzelnen miteinander in Verbindung stehenden
Resonanzräume einen solchen Wellenwiderstand erhalten, daß optimale Steueramplituden
zwischen Kathode und Gitter auftreten bzw. die optimale Anpassung der Antenne auf
den Anfachresonator hergestellt ist.
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Die in den Abb. 3 und 3 a dargestellte Röhre -zeichnet sich besonders
durch ihren hohen Schwungradwiderstand und durch ihre geringen Ohmschen Verluste
aus. Die Ohmsehen Verluste werden insbesondere dann sehr klein, wenn die an die
Resonanzräume angrenzenden Oberflächen aus gut leitendem Metall gemacht und auf
Hochglanz poliert werden. Der Vorteil geringer Strahlungsverluste und einer leichten
Abführbarkeit der Anodenv erlustleistung ist allen in den Ausführungsbeispielen
dargestellten Röhren gemeinsam.
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Bei den in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen haben
die Resonanzräume über ihre ganze Länge einen annähernd gleich großen Wellenwiderstand.
Resonatoren von noch größerem Schwungradwiderstand können erhalten werden, wenn
die Resonatoren aus Abschnitten von verschieden großem Wellenwiderstand zusammengesetzt
werden, derart, daß der an einem Spannungsbauch angrenzende- Abschnitt einen relativ
kleinen Wellenwiderstand und der an einen Spannungsknoten angrenzende Abschnitt
einen relativ großen Wellenwiderstand erhält. Die Verluste werden in einem derartigen
Resonator besonders klein.
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Die erfindungsgemäße Elektronenröhre eignet sich zum Erzeugen, Verstärken
oder Empfangen sowohl von Meterwellen als auch von Dezimeter- und Zentimeterwellen.
Je nach der Wahl der Anodenspannung kann die Röhre so betrieben werden, daß die
Laufzeit der Elektronen in dem Anfachraum klein oder von gleicher Größenordnung
wie die Schwingungsdauer wird. Im Falle kleiner Laufzeit kann die Bedingung der
phasenrichtigen Anregung ohne weiteres durch die Gegenphasigkeit der Felder im Steuer-
und Anfachraum erfüllt werden. Wird die Laufzeit der Elektronen im Anfachraum vergleichbar
mit der Schwingungsdauer, dann muß dafür gesorgt werden, daß die Elektronen mit
richtiger Phase in diesem Raum eintreten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
daß die Elektronen nach dem- Verlassen des Steuerraumes
noch einen
weiteren Raum durchlaufen und durch ein zweites Gitter erst in den Anfachraum eintreten.
Auch kann die Röhre in einem sog. höheren Schwingungsbereich betrieben werden, wobei
die Laufzeit der Elektronen in dem Anfachraum in der Nähe eines ganzzahligen Vielfachen
der Schwingungsdauer liegt, so daß man mit wesentlich geringerenAnodenspannungen
auskommen kann. Die genaue Größe der günstigsten Laufzeit ergibt sich dabei am besten
durch Versuche.
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Der vorliegende Erfindungsgedanke läßt sich ferner auch für das Dezimeter-
und Zentimetergebiet auf Bremsfeldröhren mit einem positiven Gitter und einer nur
schwach positiven oder negativen Anode anwenden. Zwischen dem positiven Gitter und
der Kathode ist dann zweckmäßig ein den Steuerraum begrenzendes negatives Steuergittenanzubringen.
Besonders vorteilhafteKonstruktionen ergeben sieh, wenn zwischen Steuer- und Anfa,chraum
ein besonderer :und insbesondere aperiodischer Beschleunigungsraum vorgesehen ist.
Auch lassen sich insbesondere bei Verstärker- und Empfangsanordnungen besondere
Raumlade-bzw. Schirmgitter in die Röhre einbauen.