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Magnetfetdröhrenanordnung zur Erzeugung ultrahochfrequenter Schwingungen
Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldröhrenanordnung für ultrakurze Wellen, die
sich insbesondere zur Erzeugung von Zentimeterwellen eignet.
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Es gibt bekanntlich drei Schwingungsarten von Magnetfeldröhren, von
denen die erste, nämlich die Wirkungsweise der. Röhre als statisch negativer Widerstand,
zur Ultrakurzwellenerzeugung nicht in Frage kommt. Die zweite Art wird im allgemeinen
als Leitkreisschwingung bezeichnet, deren Wesen darin besteht, daß dir, Elektronen
unter dem Einflut eines Magnetfeldes einen Leitkreis um die Kathode herum beschreiben
und auf diese Weise das mehrgeteilte Anodensystem zu Schwingungen anregen. Die dritte
Art wird schließlich durch die sogenannten Rollkreisschwingungen gebildet, bei denen
sich die Elektronen periodisch zwischen Kathode und Anode hin und her bewegen, so
daß zwischen Kathode und Anode Wechselspännungen dieser Rollkreisfrequenz entstehen.
Die Rollkreisbewegungen überlagern sich den Leitkreisbewegungen, was zu den bekannten
Zykloidenbahnen der Elektronen führt. Mit den normalen Magnetfeldröhren (zwei- oder
viergeeilte Anode) erreicht man als kürzeste Welle die Schwingungsform zweiter bzw.
erster Ordnung. Hierbei wird mit Ordnung das Verhältnis Zahl der Elektronenumläufe
zu der Periodenzahl der erzeugten Schwingungen bezeichnet. Erste Ordnung liegt dann
vor, wenn beide Periodenzahlen einander gleich sind. Eine weitere Teilung der Ordnung,
die bei gegebenem Magnetfeld noch höhere Frequenzen bzw. bei gegebener Frequenz
kleinere Magnetfelder möglich machen würde, läßt sich prinzipiell dadurch erreichen,
daß man die Unterteilungszahl der Anode noch größer macht, während die mittlere
Rotationsgeschwindigkeit der Elektronen der Geschwindigkeit in einem normalen zwei-oder
viergeteilten System entspricht. Durch geeignete Schaltung der einzelnen Anodensegmente
kann von diesen dann eine gegenüber der Umlauffrequenz der Elektronen erhöhte Frequenz
abgenommen werden. Diese letzteren Schwingungsformen haben jedoch einen sehr
-geringen Wirkungsgrad und sind in der Einstellung der Betriebsbedingungen
außerordentlich kritisch und empfindlich. Es wurden zwar schon Vorschläge gemacht,
durch entsprechende Ausbildung der einzelnen Segmente den Wirkungsgrad zu erhöhen;
trotzdem liegt der Wirkungsgrad höchstens in der Größenordnung von wenigen Prozent.
Es
ist auch bereits bekannt, ein normales mehrgeteiltes Anodensystem mit einer weiteren
hochfrequenzmäßig neutralen Auffangelektrode zu umgeben. Diese neutrale Elektrode
wurde dann, wie bekannt, ebenfalls in Segmente unterteilt, und diese Segmente wurden
zwischen die eigentlichen Schwirigelektrodensegmente gelegt, so daß sich insgesamt
z. B. ein achtgeschlitztes System ergab, bei dem jedoch nur vier Segmente als Schwingelektroden
dienten. Die neutralen Segmente hatten bei dieser Anordnung den Zweck, die Schwingelektroden
von der Gleichstromverlustleistung zu entlasten. Um eine solche Röhre handelt es
sich auch bei der Erfindung. Es werden jedoch im Gegensatz zu den früheren Vorschlägen
nunmehr die Betriebsbedingungen in nachstehend angegebener Weise so gewählt, daß
Schwingungen kleinerer Ordnung als i, deren Erzeugung auf andere Weise an sich bereits
bekannt ist, auftreten. Die nach der Erfindung erzeugten Schwingungen besitzen im
Unterschied zu den mit gewöhnlichen Schlitzanodenmagnetrons erzeugten @clt@i'lItguflgeIl
gebrochener Ordnung, wie Versuche gezeigt haben, einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad,
der der Größe des Wirkungsgrades bei höheren Ordnungen entspricht und der nicht
vorauszusehen war.
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Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldröhrenanordnung zur Erzeugung
ultrahochfrequenter Schwingungen von einer Ordnung kleiner als i unter Verwendung
einer Röhre mit unterteilter zylindrischer Anode. Auf einfache Weise wird ein Wirkungsgrad
von mehr als 25% erreicht, so daß die Größenordnung des Wirkungsgrades derjenigen
der üblichen höheren Ordnungen entspricht. Geg 7 e nf iber den Schwingungen
höherer Ordnung wird jedoch der erheblicheVorteil erzielt, daß das Magnetfeld bei
gegebener Frequenz um ein Vielfaches herabgesetzt werden kann (kleineres Magnetgewicht,
kleinere Magnetspulenströme usw.) und daß die geometrischen Abmessungen der Röhre
sehr viel größer gemacht werden können, was zu konstruktiv günstigeren Röhrenformen
führt.
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Die Erfindung besteht darin, daß jeweils zwischen zwei mit einem auf
die Nutzfrequenz abgestimmten Schwingungskreis verbundenen, als Schwingelektroden
dienenden Anodensegmenten ein nicht mit dem Nutzschwingungskreis verbundenes, vorzugsweise
hochfrequenzmäßig neutrales Segment liegt, daß der Nutzschwingungskreis auf eine
höhere Frequenz abgestimmt ist, als es der Rollkreis-' frequent der Elektronen entspricht,
und daß bei gegebener Anodenspannung das Magnetfeld gegenüber dem zur Erzeugung
von Schwingungen höherer Ordnung erforderlichen Wert verkleinert ist. Die gemäß
de; Erfindung erzeugten Schwingungen von kleinerer als erster Ordnung, insbesondere
von der Ordnung o,66, können theoretisch etwa folgendermaßen gedeutet werden: in
Abb. i ist ein Magnetfeldröhrensystem mit einer Kathode IL und mit einer achtgeteilten.
die Kathode umgebenden zylinderförmigen Elektrode dargestellt. Vier von den Elektrodensegmenten,
nämlich die mit N bezeichneten, sind hochfrequenzmäßig neutral und miteinander verbunden
(was der Einfachheit halber nicht eingezeichnet ist, es ist vielmehr lediglich durch
kleine Striche der neutrale Zustand angedeutet). Die übrigen vier Elektroden S sind
in bekannter Weise zu zwei Gegentaktgruppen zusammengefaßt und mit dem Schwingungskreis
L verbunden. Diese Röhre kann selbstverständlich unter bekannten Bedingungen in
der normalen zweiten Ordnung betrieben werden. Vergrößert man nun aber das Verhältnis:
Anodenspannung zu Magnetfeld z. B. ttm den .Fakttor 3, so läßt sich eine neue Schwingungsform
erzeugen, deren Frequenz genau dreimal so hoch ist, d. h. deren Ordnung o,66 (2
'3) ist. Man hat sich hierbei die Elektronenumläufe wie in Abb. i dargestellt vorzustellen.
Während ein Elektron zwei Rollkreisumläufe zurücklegt, vollführt der Schwingungskreis
drei Perioden. Bei dem Mergang des Elektrons von der Stelle i zur Stelle 2 muß demnach
der Schwingungskreis eine volle Periode durchschwingen. Für diese Zeit muß das Elektron
elektrisch möglichst verschwinden, und dies wird erreicht durch die Zwischenschaltung
des neutralen Segmentes.
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Der Gedanke, die Wirkung der Elektronen auf die Schwingelektroden
für gewisse Zeiten, innerhalb deren der Schwingkreis ein oder mehrere Perioden vollführen
kann, mittels neutraler Zwischenelektroden zu unterdrücken, ist selbstverständlich
nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es kann vielmehr eine
noch höhere Unterteilung der zylinderförmigen Anode angewandt werden. Außerdem können
auch die Abstände der Schwingelektroden und der neutralen Elektroden von der Kathode
um ein Geringes verschieden sein. Auch ergibt sich aus der obigen Erläuterung der
Wirkungsweise, daß der Schwingungskreis zwischen den Punkten i und 2 in Abb. i nicht
nur eine, sondern zwei oder mehrere Perioden durchschwingen kann, in welchem Fall
sich dann Schwingungen in der Ordnung =/;" 2/; usw. ergeben. Für kürzeste Wellen
wird der Schwingungskreis für die Schwingelektroden vorzugsweise durch die Verbindungsbügel
dieser Elektroden selbst gebildet.
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Die konstruktive Ausführung der für die Erfindung geeigneten Röhren
ist beispielsweise
in der Abb. #i dargestellt. Die Abb. 2a zeigt,
wie die hochfrequenzmäßig neutralen "Zwischenelektroden untereinander verbunden
sind. Das Elektrodensystem ist nämlich von einem Ring R umgeben, der mit den einzelnen
neutralen Elektrodexa verbunden ist. Das Elektrodensystem in Seitenansicht zeigt
die Abb. 2b. Hier sind mit R der Ring gemäß Abb. 2a und mit V1, Il, die Verbindungsbügel
der Schwingelektroden bezeichnet. Diese.Verbindungsbügel gehen in den Schwingungs-(creis
L über, dessen Ebene quer zur Längsausdehnung des Elektrodensystems gedreht ist.
Mit K ist die Kathode bezeichnet.
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Die neutralen Elektroden, deren positive Vorspannung etwa .derjenigen
der Schwingelektroden entspricht, können selbstverständlich künstlich gekühlt werden,
falls ihre Stromaufnahme groß ist. Außerdem kann der Ring R (vergl. Abb. 2a) die
gesamte Röhre als Mantel umgeben und z. B. aus metallisierter Keramik bestehen.
jedoch hat die Ausführungsform des Ringes R, wie sie z. B. in Abb. 2b dargestellt
ist, den Vorteil geringster verteilter Kapazitäten.
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Wie schon oben erwähnt, ist die Erfindung nicht auf die speziell in
Abb. i dargestellte Anschaltung des Schwingungskreises- -be= schränkt, vielmehr
ist auch eine Schaltung möglich, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, wo nicht, wie
in Abb. i, einander gegenüberliegende Schwingelektrodensegmente miteinander verbunden
sind, sondern jeweils aufeinanderfolgende. Der Schwingungskreis L ist dann zwischen
die beiden so entstehenden Gruppen geschaltet. Die Schaltung der Röhren entspricht
völlig derjenigen eines normalen zweigeteilten . Magnetronsystems, lediglich mit
dem Unterschied, daß die Segmente nochmals unterteilt angeordnet sind. Dieser Gedanke
kann selbstverständlich auch auf ein der normalen Vierteilung entsprechendes System
übertragen werden, wobei insgesamt einschließlich der neutralen Zwischenelektroden
16 Segmente entstehen, von denen jeweils zwei gemäß der Abb. 3 zusammengefaßt und
die so entstehenden Gruppen wie bei der normalen Vierteilung überkreuzt miteinander
verbunden und an den äußeren Schwingungskreis angeschlossen sind.
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Die beschriebene Röhrenanordnung ist nicht nur zur Erzeugung von ultrakurzen
Wellen, sondern auch zur Fremdsteuerung und Frequenzvervielfachung zu gebrauchen.
So kann, wie dies schon früher vorgeschlagen wurde, zwischen die Kathode bzw. dem
Symmetriepunkt des mit den Schwingelektroden verbundenen Schwingungskreises und
die miteinander verbundenen neutralen Zwischenelektroden ein Schwingungskreis gelegt
werden, der auf die doppelte Frequenz--des'erste= ren Schwingungskreises abgestimmt
ist.'Die Zwischenelektroden sind dann -nicht mehr neutral in dem Sinne, daß sie
überhaupt keine Hochfrequenzspannungen führen, sondern sie sind. lediglich noch
als neutral bezüglich der Umlauffrequenz der Elektronen anzusehen. Die Anordnung
arbeitet dann jedoch immer noch so,-daß der mit den Schwingelektroden verbundene
Schwingungskreis auf eine Frequenz abgestimmt wird, die einer Ordnung kleiner als
i, z. B. o,66, entspricht, daß jedoch von dem eigentlichen Nutzkreis dann nochmals
die doppelte Frequenz abgenommen werden kann.
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Das Schwingelektrodensystem kann bei allen " Ausführungsformen der
Erfindung selbsterregt arbeiten oder auch fremdgesteuert werden, wobei die Fremdsteuerspannungen
direkt dem mit den Schwingelektroden verbundenen Schwingungskreis zugeführt werden
- oder wozu ,geschÜtzte Seitenplatten gemäß einem früheren Vorschlag verwendet werden
können. Auch bei einer derartigen Fremdsteueranordnung liegt der Hauptvorteil in
der Erzielung eines großen Wirkungsgrades bei' sehr viel höheren Frequenzen, als
sie bisher mit normalen Magnetfeldern erreicht werden- konnten. Die Fremdsteuerung
mit . geschlitzten Seitenplatten ist in Abb. 3 punktiert eingezeichnet. Es wird
hier eine Versechsfachung der Frequenz erzielt.