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Spaltanoden-Magnetronröhre zum Anfachen von ultrahochfrequenten elektromagnetischen
Schwingungen Die Erfindung betrifft eine Spaltanoden-Magnetronröhre zum Anfachen
(Erzeugen, Verstärken, Empfangen) von ultrahochfrequenten elektromagnetischen- Schwingungen,
bei der die konzentrisch um eine stab-oder fadenförmige Kathode herum angeoTdneten
Anodensegmente zur Bildung eines auf die Betriebsfrequenz abgestimmten, durch eine
Energieleitung mit dem Strahler verbundenen Resonators dienen und gegebenenfalls
auf Resonanzlänge verlängert sind, während an beiden Enden der an der Stelle eines
Spannungsbauches angeordneten - Kathode senkrecht zu ihrer Achse sich erstreckende,
zweckmäßig aus Metall bestehende Platten zur Begrenzung des Entladungsraumes vorgesehen
sind.
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Es waren bereits Spaltänoden-Magnetro:nröhren zum Anfachen ultrahochfrequenter
Schwingungen bekannt, bei denen der Resonator von den Anodensegmenten und einem
an diese angeschlossenenDrahtgebilde (Drahtbügel oder Doppeldrahtleitung) gebildet
ist und an dieses Drahtgebilde der Strahler über eine Energieleitung angekoppelt
wird. Bekanntgeworden sind ferner Anordnungen, bei denen an die Anodensegmente in
axialerRichtung ohne Veränderung ihres Querschnittes auf Resonanzlänge, d. h. auf
eine solche axiale Länge verlängert sind, daß die verlängerten Anodensegmente den
auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Resonator bilden. An das eine Ende der von
den Anodensegmenten gebildeten Leitung kann sich dabei ein Kurzschlußbügel anschließen,
an den eine zum Strahler führende Doppeldrahtleitung angekoppelt ist.
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Ferner war es bekannt, bei Spaltanoden-Magnetronröhren an beiden Enden
der Kathode senkrecht zu ihrer Achse sich erstrekkende Platten (sogenannte Endplatten)
vorzusehen, die eine geeignete Vorspannung erhalten, um den Elektronen eine Beschleunigungskomponente
in Richtung der Achse zu erteilen. Die Platten bewirken auch eine Begrenzung des
Entladungsraumes, so däß das Austreten von Elektronen aus dem Entladungsraum in
den Außenraum verhindert wird.
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Bereits vorgeschlagen worden ist schließlich, bei Spaltanoden-Magnetronröhren
mit als Resonator dienenden konzentrischen Rohrleitungen die Einrichtung so zu treffen,
daß die Anodensegmente oder Ano,densegmentpaare eines Magnetrons unter kontinuierlicher
Veränderung
ihrer Breite bzw. ihres Durchinessers derart stoßfrei in das Leitersvstein übergehen,
daß Reflexionsstellen vermieden «-erden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Ausgestaltung des Resonators,
und zwar ist erfindungsgemäß der Resonator in der Weise gebildet, daß das eine Anodensegment
bzw. die geradzahligen Anodensegmente durch metallische Verbindungsteile polschuhartig
auf die innere Mantelfläche eines konzentrisch zur Kathode angeordneten, an seiner
einen Stirnfläche metallisch abgeschlossenen rohrförmigen Nletallgeliäuses aufgesetzt
sind und das andere Anodensegment bzw. die ungeradzahligen Anodensegmente Bestandteile
eines koaxial zur Kathode angeordneten, von dem Metallgehäuse konzentrisch umschlossenen
Innenleiters sind und daß das Metallgehäuse an seiner anderen Stirnfläche zusammen
mit dem Innenleiter unter Bildung eines Spannungsknotens in eine zur Verbindung
mit dein Strahler dienende konzentrische Energieleitung -übergeht.
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Auf diese Weise ist der Resonator der Spaltanoden-'AIagnetronröhre
-als Hohlraumresonator ausgebildet, der sich durch gering Eigenverluste (geringe
Eigendämpfung) auszeichnet, indem die Ohmschen Leitungsverluste klein gehalten sind
und insbesondere auch die Strahlungsverluste unterdrückt sind.
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Drahtschwingungskreise sind mit einer großen Verluststrahlung verbunden.
Auch bei den erwähnten, bekannten Anordnungen aber, bei denen der Resonator von
den verlängerten Anodensegmenten gebildet wird. tritt eine nachteilige Verluststrahlung
auf, und zwar, indem durch die zwischen benachbarten Anodensegmenten vorhandenen
Spalte Streustrahlung austritt. An den Stellen v=on Spannungsbäuchen, also Orten
maximale elektrischer Feldenergie, ist zwischen benachbarten Anodensegmenträndern
ein starkes elektrisches Feld vorhanden, was auch mit der Gefahr verbunden ist,
daß elektrische Feldlinien auf die Außenflächen der Anodensegmente übergreifen und
auf den Außenflächen ungewünschterweise Ströme fließen und dadurch auch zusätzliche
Ohmsche Leitungsverluste entstehen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Spaltanoden-Magnetronröhre
ist dagegen erreicht, daß die Spalte nicht an den Außenrauen angrenzen, sondern
innerhalb des Resonatorratimes liegen, der bis auf die Öffnung zum Aus-- oder Eintritt
der :Nutzstrahlung allseitig von den Metallflächen begrenzt ist, die den Schwingstrom
führen. Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen ist ferner vermieden, daß der Resonator,
wie bei bekannten Anordnungen, an den Außenraum mit offenen Enden angrenzt, in denen
Spannungsbäuche, also Feldräume maximaler elektrischer Feldener;-ie. vorhanden sind.-
Durch ein solches offenes Ende würde ebenfalls Streustrahlung austreten und durch
Lbergreifen elektrischer I# eldlinien auf die Außenfläche des Resonator s ein Mitschwingen
und Abstrahlen der Außenflächen eintreten können, was wiederum Strahlungsverluste
und Ohmsche Leitungsverluste und fnlglich eine vergrößerte Eigendämpfung des Resonators
bedeutet. Beim Erfindungsgegenstand ist der Resonator nach außen hin (an seinen
Enden) durch Spannungsknoten abgeschlossen, von denen der eine durch galvanischen
Kurzschluß von lIeta.llgehäuse und Innenleiter durch eine Metallfläche zustande
kommt, so daß an diesem Ende der Resonatorraum nach außen hin vollständig strahlungsdicht
abgeschlossen ist. Der Spannungsknoten am anderen Ende bedingt, da er durch kapazitive
Verbindung von -Me-
tallgehäuse und Innenleiter gebildet wird, eine Öffnung,
dient jedoch zum Anschluß der zum Strahler führenden konzentrischen Energieleitung.
Diese Öffnung bietet folglich nicht Anlaß zu Streustrahlung, sondern sie stellt
den notwendigen Kanal zum Austritt bzw. Eintritt der Nutzenergie im Sende- bzw.
Empfangsfalle dar.
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Beim Erfindungsgegenstand sind daher die Streustrahlungen, die sich
als Verluststrahlung auf die Eigendämpfung des Resonators nachteilig auswirken und
auch sonst störend sind, weitgehendst unterdrückt, und es ist die elektromagnetische
Energie auf den von den Metallflächen des Resonators begrenzten Raum lokalisiert.
Indem der Schu-ingstroni ausschließlich über Metallflächen fließt, gestalten sich
auch die Ohmschen Leitungsverluste des Resonators gering. Der Erfindungsgegenstand
bietet ferner den Vorteil eines stabilen Aufbaues und den Vorteil einer übersichtlichen
und streustrahlungsfreien Gestaltung der Kopplung des Strahlers finit dein Resonator
bzw. der Kopplung des Strahlers über den - Resonator finit der anfachenden Elektronenströmung.
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Würde man die bekannten Anordnungen, auch solche mit auf Resonanzlänge
verlängerten Anodensegmenten, in einer in der Hochfrequenztechnik allgemein gebräuchlichen
metallischen Abschirmhülle anordnen, so würde zwar die Verluststrahlung (in den
freien Raum hinaus) als solche unterdrückt werden; es würden jedoch nichtsdestoweniger
die erwähnten Streufelder an den Spalten zwischen den Anodensegmenten und an offenen
Leitungsenden (Spannungsbäuchen) auftreten und z. B. zu störenden Reflexionen an
der Innenwand der Abschirmhülle und zum ungewünschten Fließen vnre Strömen auf der
Außenfläche
des Resonators Anlaß geben können. Je mehr man zu kürzeren Wellen übergeht, um so
mehr besteht außerdem die Gefahr, daß eine der Eigenfrequenzen der Abschirmhülle,
die ja einen Hohlleiter (ohne Mittelleiter) darstellt, mit der Betriebsfrequenz
vollständig oder nahezu übereinstimmt und infolgedessen auf der Innenfläche der
Abschirmhülle beträchtliche Hochfrequenzströme fließen und dadurch zusätzliche Obmsche
Leitungsverluste entstehen. Beim Erfindungsgegenstand stellen dagegen die den Schwingstrom
führenden Metallflächen des Resonators sozusagen gleichzeitig eine metallische Abschirmung
des Resonatorraumes nach außen hin dar. -Ein besonders einfacher Resonator ergibt
sich in dem Falle, daß erfindungsgemäß das Anodensegment bzw. die Anodenseb-nente,
welche Bestandteil des Innenleiters sind, sich ebenso wie das bzw. die am Gehäuse
angebrachten Anodensegmente in axialer Richtung im wesentlichen nur über den Entladungsrauen
erstrecken und an den Enden in je zwei den übrigen Teil des Innenleiters bildende
Rohrstücke übergehen, und daß das dem strahlerseitigen Ende abgewandte Rohrstück
mit der das Gehäuse an seinem einen Ende abschließenden Metallfläche galvanisch
verbunden bzw. durch diese hindurchgeführt ist. Hierbei wird also der Innenleiter
von dem einen Anodensegment bzw. den ungeradzahligen Anodensegmenten und den beiden
damit verbundenenRohrstückengebildet. Vonbeiden Enden des bzw. jedes Anoden"segrnentes
aus kann sich der Schwingstrom über die sich daran anschließenden, ausgedehnten
Metallflächen verteilen. In stabiler Weise sind , mtliche Anodensegmente galvanisch
miteins ander verbunden, und zwar durch die das Metallgehäuse mit dem Innenleiter
verbindende metallische Abschlußfläche. Insbesondere geht dadurch, daß die axiale
Ausdehnung der Anodensegmente im wesentlichen auf den Entladungsraum beschränkt
ist, die den Resonato-r bildende Leitung im Anschluß an die Stirnflächen der Anodensegmente
auf einen größeren Wellenwiderstand über, wodurch der Schwungradwiderstand erhöht
und die Eigendämpfung des Resonators verringert wird.
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Beim Erfindungsgegenstand wird eine gerade Anzahl von Anodensegmenten
verwendet; beispielsweise können zwei oder vier und gegebenenfalls auch mehr als
vier ,Anodensegmente vorgesehen sein. Die Länge des Resonators kann einer Viertelwellenlänge
oder einer halben Wellenlänge entsprechen. Entspricht die Resonatorlänge einem ungeradzahligen
Vielfachen der Viertelwellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen der halben
Wellenlänge, so können mehrere Kaiboden in verschiedenen Spannungsbäuchen angeordnet
sein.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung mögen die in den Abb. i und
2 dargestellten Ausführungsbeispiele dienen. Die Ab#b. i a zeigt die in Abb. i dargestellte
Röhre im Querschnitt ß-B, die Abb. 2 a die in Abb. 2 dargestellte Röhre im Querschnitt
C-C. Die Abb. 3 stellt schließlich noch den Querschnitt durch eine Röhre mit sechs
Anodensegmenten dar, die im übrigen gemäß der Abb. i oder 2 gebaut sein kann.
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Die Abb. i zeigt eine Magnetronröhre, bei der die axiale Länge des
Hohlraumresonators einer Viertelwellenlänge entspricht. Eine haarnadelförmige Kathode
i ist von vier Anodensegmenten 2 bis 5 konzentrisch umgeben. Die Stirnflächen des
zylindrischen Entladungsraumes sind durch Metallplatten 6 und 7 begrenzt. Die Anodensegmente
sind an ihrem oberen Ende zu dem Resonator der Länge J/4 verlängert. Die geradzahligen
Anodensegmente 2, q. sind über Metallstege 29 mit einem flaschenförmigen Metallgehäuse
oder Außenleiter 3o des Resonators verbunden. Die ungeradzahligen Anodensegmente
3, 5 gehen in der Nähe der Übergangsstelle vom Metallbehälter 3o zu dein Flaschenhals
31 in den Innenleiter 3z über. Als Energieleitung zur Ankopplung einer Antenne 33
an den Resonator dient das von dein Flaschenhals 31 und dein Innenleiter 32 gebildete
konzentrische Lechersystem. An seinem oberen Ende geht der Innenleiter ohne Ouerschnittsänderung
in die Antenne 33 über. Der Flaschenhals 31 ist an seinem oberen Ende mit einer
Metallscheibe 34 versehen, welche zur kapazitiven Überleitung des Antennenstromes
dient.
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Die Heizzuleitungen 18, ig sind durch die als Hohlzylinder ausgeführte
Antenne und durch den sich an die Antenne anschließenden hohlen Innenleiter 32 in
das Innere der Röhre eingeführt. Um eine Ableitung von Schwingungsenergie über die
Heizzuleitung zu vermeiden, ist das obere Ende der Antenne 33 mit einer Metallhülse
35 versehen, welche an ihrem oberen Ende durch den Ring 36 mit der Antenne leitend
verbunden ist und welche an ihrem unteren "Ende eine Metallplatte 37 trägt. An das
obere Ende der Antenne 33 ist ein Glasstutzen 38 angeschmolzen, durch den die Heizzuleitungen
vakuumdicht in die Röhre eingeführt sind. Das obere Ende der Energieleitung ist
ebenfalls mit einer vakuumdichten Glasverschmelzung 39 versehen, so daß die
Röhre ohne Verwendung eines besonderen Vakuumgefäßes auf Hochvakuum gepumpt werden
kann. Um Ableitungsverluste über die Heizzuleitung zu vermeiden,
ist
der Innenleiter 32 mit einer metallischen Querwand 4o versehen. An Stelle dieser
einen Querwand kann auch eine größere Anzahl vorgesehen sein. Zur Erzeugung des
koaxialen Magnetfeldes dient die Spule 28.
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Die Wirkungsweise der Röhre ist nach dem Vorausgehenden ohne weiteres
verständlich. Werden die. richtigen Betriebsbedingungen gewählt und wird der Resonator
entdämpft bzw. zu Schwingungen angefacht, so bildet sich an seinem unteren Ende
ein Spannungsbauch und an seinem oberen Ende an der Übergangsstelle in die Energieleitung
ein Spannungsknoten aus. Durch die geeignete Wahl des Verhältnisses der beiden Wellen--widerstände
von Energieleitung und Resonator kann die Antenne so lose ad den Resonator angekoppelt
werden, daß sie einen optimal angepaßten Belastungswiderstand darstellt. Die Länge
der Energieleitung beträgt zweckmäßig 2.;4 oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon.
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Die Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die axiale Länge
des Hohlraumresonators einer halben Wellenlänge entspricht. Das Elektrodensystem
ist das gleiche wie in der Abb. i. Der Resonator wird im wesentlichen von dem flaschenförmigen
Metallgehäuse bzw. Außenleiter 30 mit dem Flaschenhals 31 und dem
zylindrischen, durch den Flaschenhals in das Innere des Metallgehäuses hineinragenden
hohlen Innenleiter 32 begrenzt. Der Innenleiter 32 durchsetzt den Boden 41 des Gehäuses
und ist mit ihm galvanisch verbunden. Mit dem Flaschenhals 31
bildet der Innenleiter
32 eine konzentrische Energieleitung und geht am oberen Ende in eine Antenne 33
über. Der Außenleiter 31 ist mit einer Metallplatte 34 zur kapazitiven Überleitung
des Antennenstromes versehen. Die Glasverscbmelzung 39 am oberen Ende der Energieleitung
dient auch hier zum vakuumdichten Abschluß des Innenraumes der' Röhre. An das untere
Ende des Innenleiters 32 ist ein Glasstutzen 43 vakuumdicht angeschmolzen, durch
den die Heizzuleitungen 18, i9 in das Innere der Röhre geführt sind. Eine weitere
Zuleitung 43 führt zu dem unteren Schirm 7. Da dieser von der Kathode isoliert an
dem Isolierröhrchen 44 befestigt ist, kann er in an sich bekannter Weise zur Modulation
der Elektronenströmung und damit zur Modulation der angefachten Schwingung benutzt
«-erden. Die Metallscheibe 4o im Innern des Innenleiters dient zur Vermeidung von
Ableitungsverlusten. Die Kathode i ist an ihrem oberen Ende durch die Feder 23 gespannt
gehalten.
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Die Anodensegmente erstrecken sich nur über den mittleren Teil des
Resonators und sind nur wenig länger als der Entladungsraurn. Im übrigen sind die
geradzahligen Anodensegmente 2, 4 über Verbindungssteile (Metallstege) 29 mit der
Innenwand des Außenleiters 3o leitend verbunden. Die ungeradzahligen Anodensegmente
3, 5 gehen an den Enden des Entladungsraumes in den Innenleiter 32 über.
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Wird die Röhre zu Schwingungen angefacht, so bildet sich an den Anodensegmenten
ein Spannungsbauch und am unteren und oberen Ende des Resonators Spannungsknoten
aus. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach der Abb-. i ist der Wellenwiderstand
nicht über die ganze Länge des Resonators konstant, sondern er ist nach den Enden
des Resonators zu vergrößert. Diese Vergrößerung des Wellenwiderstandes verringert
die Eigendämpfung des Resonators.
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Die Abb. 3 zeigt schließlich noch den Querschnitt durch eine Röhre
mit mehr als vier Anodensegmenten, und zwar sind hier im ganzen sechs Segmente vorgesehen.
Die ungeradzahligen Segmente 45, 47, 49 sind wieder mit dem in der Abbildung nicht
zu sehenden Innenleiter verbunden, und die geradzahligen Anodensegmente46, 48, 5o
sind über polschuhartige Verbindungsstücke 51, 52, 53 mit der Wand des Metallgehäuses
30 leitend verbunden. Im übrigen kann die Röhre genau wie die in der Abb. i bzw.
2 dargestellte Röhre ausgebildet sein.
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Wie bereits angegeben, kann man den Metallschirm 7 zur Modulation
verwenden. Vorteilhaft können jedoch auch andere Elektroden zur Steuerung der angefachten
Schwingung innerhalb des Entladungsraumes vorgesehen sein. In Abb. 3 ist beispielsweise
eine solche Elektrode in Form eines in der -Nähe der Kathode angeordneten Drahtes
54 vorgesehen. Solche Steuerelektroden -zeigen im Gegensatz zur Modulation über
das Magnetfeld oder über die Anodenspannung den Vorteil einer geringen Verlustleistung.