DE7532912U

DE7532912U - Hf-leistungs-senderoehre

Info

Publication number: DE7532912U
Application number: DE7532912U
Authority: DE
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-10-16
Filing date: 1975-10-16
Publication date: 1977-03-17

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 HAMBURG 1, STEINDAMM 94

"HF-Leistungs-Senderöhre"

Die Neuerung bezieht sich auf eine HF-Leistungs-Senderöhre mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen.

Die Neuerung geht von folgendem Stand der Technik aus:

Es sind dichte-gesteuerte Leistungs-Senderöhren bekannt, die z.B. in sogenannter Planar- als auch in sogenannter Koaxialtechnik ausgeführt v/erden. Diese Senderöhren v/erden vorzugsweise als Trioden oder Tetroden gebaut. In dieser Röhrenklasse

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erfolgt eine Dichtemodulation des Katodenstromes durch ein zwischen Katode und Steuergitter angelegtes Hochfrequenzsignal, dessen Trägerschwingung die Betriebsfrequenz ist. Mit derartigen Röhren lassen sich auch im Mikrowellenbereich Wirkungsgrade bis etwa 60 % erzielen. Die erreichbaren Verstärkungen und die erreichbaren Ausgangsleistungen nehmen infolge von Laufzeiteinflüssen oberhalb einer Betriebsfrequenz von etwa 100 MHz schnell ab. Erreichbare Werte liegen bei etwa 20 dB für die Verstärkung bzw. 20 KW für die Ausgangsleistung, jedoch nicht kombiniert in einem Röhrentyp.

Als Senderöhren für den Frequenzbereich oberhalb 100 MHz sind weiterhin Verstärkerklystrons bekannt. Bei dieser Röhrenklasse erfolgt an einem Steuerspalt außerhalb des Potentialfeldes der Betriebsspannung eine Geschwindigkeitsmodulation des Katodenstromes mit dem Hochfrequenzsignal. Diese Geschwindigkeitsmodulation wird unter gezielter Ausnutzung des Laufzeiteffektes in einem Triftrohr in eine Dichtemodulation umgewandelt. Die Auskopplung des verstärkten Hochfrequenzsignals erfolgt an einem Wechselwirkungsspalt, der ebenfalls außerhalb des Potentialfeldes der Betriebsspannung liegt. Dif kennung des HF-Auskoppel-Raumes vom Strahlerzeugungssystem ermöglicht bei dieser Röhrenklasse im Verhältnis zu den dichtegesteuerten Senderöhren in dem betrachteten Frequenzbereich zwischen etwa 100 und etwa 1000 MHz eine erheblich höhere Dauerstrich-Ausgangsleistung (bis zu 500 KW). Da außerdem mehrere Trifträume, jeweils unterbrochen durch Koppelspalte mit angeschlossenen Resonatoren, hintereinander angeordnet werden können, ist auch die Verstärkung weit weniger·begrenzt als bei den dichtegesteuerten Röhren und erreicht Werte zwischen 40 und 50 dB. Dagegen ist der Betriebswirkungsgrad des Klystrons deutlich niedriger als der der dichtegesteuerten Röhren. Ohne aufwendige Maßnahmen, wie z.B. Mehrfachkollektoren, liegt er unter 40 % und erreicht bei großem Aufwand ca. 50 %. Klystrons für spezielle Zwecke können ebenfalls ein zwischen Katode und Anode eingefügtes Gitter aufweisen. Es wird jedoch nicht mit der Betriebsfrequenz, sondern mit weitaus niedrigeren

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Frequenzen angesteuert und dient zur Steuerung der Stärke
des Elektronenstromes. Mit gewissen Einschränkungen bezüglich Verstärkung und Ausgangsleistung gelten die für das Klystron
genannten Kriterien auch für eine weitere Klasse von Laufzeitröhren, nämlich für die Vanderfeldröhren.

Es ist weiterhin eine sogenannte "Pre-buncher"-Elektronenkanone aus der Zeitschrift "Instruments and Experimental Technics"
16/1973/3, Seite 682 und 683 bekannt. Insbesondere auf der
Seite 683 zeigt die Zeichnung eine Steuergittermodulation des Katodenstromes mit Hochfrequenz, ähnlich wie bei den oben
besprochenen dichtegesteuerten Senderöhren, nur ist bei dieser Anordnung nicht wie bei der Senderöhre die Anode geschlossen
ausgeführt, sondern weist eine Ausnehmung für den Elektronenstrahl auf, der also mit der Betriebsfrequenz moduliert durch diese Ausnehmung hindurch in einen Beschleuniger eingeschossen wird. Die Anordnung dient Jedoch in dieser Form nicht der Verstärkung eines HF-Signals, sondern der Vorbündelung eines
Elektronenstrahls in einem Elektronen-Beschleuniger.

Neuerung Ε^{θ1ιΐ von} diesem Stand der Technik aus. Die Aufgabe der Neuerung' bestand darin,, eine Röhre zu schaffen, die unter besonderer Berücksichtigung der Erzielung hoher HF-Leistungen bei hohem Wirkungsgrad und hinreichend hoher Verstärkung die Vorteile der bisher bekannten dichtegesteuerten
Senderöhren und der bisher bekannten Klystro'nröhren in sich
vereinigt, also eine sogenannte Klystrode darstellt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einer HF-Leistungs-Sende röhre der eingangs genannten Art nach der Neuerung Maßnahmen ergriffen, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 im einzelnen angegeben sind.

In weiterer Ausgestaltung der Neuerung können Maßnahmen ergriffen werden, die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 2 bin 13 im einzelnen angegeben sind.

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Die Röhre nach derNeuerung stellt also in ihrem ersten Teil eine HF-Leistungs-Senderöhre dar, Jedoch mit dem Unterschied, daß der Raum zwischen Steuergitter und Anode keine Elemente mehr aufweist, die in Resonanz mit der Betriebsfrequenz stehen. Statt dessen ist die Anode wie die Beschleunigungselektrode des Strahlerzeugungssystems einer Laufzeitröhre durchbrochen. Nach der Neuerung ist jetzt der Anode im nachfolgenden Teil der Röhre ein Wechselwirkungsspalt eines exakt oder annähernd auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Resonators nachgeschaltet. Dieser Teil ist in Funktion und Aufbau an sich dem Auskoppelteil eines Klystrons ähnlich, und ähnlich wie beim Klystron wird der Elektronenstrahl nach Passieren des Auskoppelraumes von einem vorzugsweise gleichstrommäßig isoliert angebrachten Kollektor aufgefangen.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht jedoch zunächst darin, daß auch im VHF- und.UHF-Bereich infolge der Verwendung der HF-Dichtemodulation mit einem hohen Grundwirkungsgrad zu rechnen ist, der durch weitere wirkungsgraderhöhende Maßnahmen, wie z.B. Kollektordepression, auf etwa 70 % Betriebswirkungsgrad anhebbar ist. Sekundärelektronen und reflektierte Elektronen, die ansonsten den Einsatz der Kollektordepression relativ früh begrenzen, können den HF-Steuerraum zwischen Katode und Steuergitter infolge des hohen PotentialunterschiGdes zwischen Gitter und Anode nicht erreichen und damit auch die Modulation nicht in dem Maße störend beeinflussen, wie das vielfach bei Laufzeitröhren mit Kollektordepression der Fall ist.

Den Laufzeiteinflüssen, die den Wirkungsgrad durch eine teilweise Auflösung der Dichtemodulation herabsetzen würden, wird nach der Neuerung durch die Verwendung einer klystronähnlich hohen Betriebsspannung entgegengewirkt. Dadurch ergibt sich gleichzeitig der v/eitere Vorteil dieser Klystroden. Infolge der hohen Geschwindigkeit des Elektronenstrahls wird auch hier die robuste Auslegung von Auskoppelspalt', Resonator und Koppelelementen möglich, die bei den Klystronröhren, die genannten hohen Ausgangsleistungen ermöglichten. Damit ergibt sich die

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angestrebte Kombination von hohem Wirkungsgrad und hoher Ausgangsleistung im Mikrowellenbereich vereinigt in einem Röhrentyp.

Bezüglich der Verstärkung kann die Klystrode, je nach der angestrebten Ausgangsleistung, Werte um 25 dB erreichen. Sie liegt damit hinsichtlich dieser Größe deutlich unterhalb der vergleichbaren Klystronwerte, Jedoch um soviel höher als die dichtegesteuerten Senderöhren, daß im Vergleich zu diesen die direkte Ansteuerung mit Halbleitern bis zu einer etwa 6-fach höheren Ausgangsleistung möglich wird.

Ausfuhrungsbeispiele der Neuerung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Da die Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele enthält, erscheint es am zweckmäßigsten, die Beschreibung derjenigen Teile vorzuziehen, die für alle Ausführungen gemeinsam sind. Diese Teile beziehen sich auf den hinter dem HF-Wechselwirkungsspalt liegenden Teil des abgesenkten Kollektors, der also eine Einlaufstrecke 2 und den eigentlichen Kollektorteil 3 aufweist. Diese Teile sind mit geringer Abwandlung den entsprechenden Teilen herkömmlicher Klystrons ähnlich. Dabei sind die Teile und 3 durch einen Isolationsring 4 getrennt, so daß sie auf unterschiedlichem Potential betrieben werden können.

Die anderen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel für alle Beispiele gleichen Teile sind die bis zur Katode. Dort liegt zunächst die Ansteuerleitung 5 mit der Einkopplungsantenne 6, den KurzSchluß-Schiebern 7 und einer z.B. 3/4 }\ -langen koaxialen Einkopplungsleitung 8, die, wie die Zeichnung zeigt, mit λ/4-Taschen 9 umgeben ist, die nicht nur eine Hochspannungsisolation ergeben, sondern auch die Hochfrequenz am Austritt aus der 3/4 λ -langen Leitung 8 hindert. Der obere Aufbau in der Zeichnung der Röhre bsteht aus einem Elektrodenring 10 für den Anschluß der einen Heizerzuführung 11«. Dann folgt oin Isolationsring 12 und danach die Elektrode

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für die Katode, dann wieder ein Isolationsring 14. Mit der Katode 13 1st die andere Heigerzuführung 15 verbunden. Der Heizfaden selbst ist mit 16 bezeichnet. Auf der linken Seite der strichpunktierten Linie in der Zeichnung 1st nun eine Ausführung der Neuerung gezeigt, während auf der rechten Seite weitere Ausführungen gezeichnet sind, Auf der linken Seite folgt nun zunächst wieder eine Elektrode 17 und diese führt zu dem Steuergitter 18. Dann folgt ein Isolationsring und die Elektrode 20 für die Anode, die gegenüber der Kollektoreinlaufstrecke 2 durch einen weiteren Isolationsring 21 isoliert ist und konzentrisch eine Ausnehmung 22 aufweist. Auf der rechten Seite befindet sich hinter dem Isolationsring 14 eine Elektrode 23 für das Steuergitter* Es folgt dann erneut ein Isolationsring 24 und danach die Elektrode 25 für eine getrennte Fokussierelektrode 26. Dann folgt wiederum ein Isolationsring 27 und schließlich die Beschleunigungselektrode 28, danach dann ein Isolationsring 29 und eine Elektrode 30, die auf ihrer Innenseite eine Ausnehmung 31 aufweist, die dann die gleiche Funktion wie die Ausnehmung 22 der Elektrode 20 bzw. der Anode 20 hat. Die Elektrode 30 ist wiederum durch einen Isolationsring 32 gegen die Kollektoreinlaufelektrode 2 isoliert. Die Teile um den HF-Wechselwirkungsspalt 1 sind gleichzeitig Teilelemente eines Hochfrequenzresonators und außerhalb der Isolationsringe 21 bzw, 32 werden für den praktischen Betrieb ergänzend die vom Klystron her bekannten externen Resonatoreleraente und Koppeleleaiente angeordnet.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt:

Beim Einschalten der Klystrode emittiert die Katode mit ihrer wirksamen Fläche, die mit 33 bezeichnet ist, Elektronen, die infolge eines zwischen der Anode 20 bzw. 28 und der Katode angelegten Hochspannungspotentials in Richtung auf die Anoden 20 bzw. 3C zu laufen. Diese Elektronen werden durch entsprechende Gestaltung der Elemente 18, 20, 22 bzw. 26, 28, 30, 31 elektrostatisch fokussiert. Je nach Anwendung können' aber die Teile und 28 als getrennte Elektroden entfallen. Zwischen die

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Elektrode 17 bzw. Elektrode 23 und die Katode wird neben dem Gleichpotential für das Steuergitter eine modulierende HF-Wechselspannung gelegt, deren Trägerfrequenz die Betriebsfrequenz 1st, so daß in diesem Raum in der Röhre der Elektronenstrahl mit der Hochfrequenz dich'bemodullert wird. Der modulierte Elektronenstrahl tritt dann durch die Öffnung 22 bzw. 251 hindurch und erreicht den HF-Wechselwlrkungsspalt 1, wo durch die angeschlossenen externen Resonatorelemente, wie hier nicht dargestellt ist, die verstärkte Hochfrequenz-Wechselspannung abgenommen werden kann. Betriebswerte für eine derartige Klystrode können z.B. sein: die Elektrode 20 bzw. 30 . und 2 liegen auf Masse, demgegenüber liegt die Katode, also die Elektrode 13, auf -20 kV und der Kollektor 3 auf -5 kV. Der Strahlstrom beträgt 2 A und die Ausgangsleistung etwa 21 kW bei einer Betriebsfrequenz zwischen 100 und 1000 MHz, einem Wirkungsgrad von 70 % und einer· aufzuwendenden Steuerleistung von 70 W, entsprechend einer Versbärkung von etwa 25 dB.

Die Klystrode wird vorzugsweise derart ausgelegt, daß besondere Fokussiermaßnahmen für den Elektronenstrahl nicht erforderlich sind. Für bestimmte Anwendungsfälle werden jedoch die bei den Klystrons üblichen magnetischen und elektrostatischen Fokus siermaßnalimen ergriffen. Da sie auf die prinzipelle Wirkungsweise der Klystrode ohne Einfluß sind, werden sie hier nicht dargestellt.

Schutzansprüche:

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Claims

SchutzansprUche

1. HF-Leistungs-Senderöhre für den Frequenzbereich von etwa 10 bis 1000 MHz, bei der unmittelbar vor einer Katode ein zur Modulation des Strahlstroms mit der Betriebsfrequenz verwendbares Steuergi.tter und vor diesem eine fUr den
modulierten Elektronenstrahl eine Ausnehmung aufweisende Anode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter der genannten Ausnehmung ein Wechselwirkungsspalt eines Hochfrequenzkreises mit nachgeschaltetem Kollektor ange· ordnet ist und daß der Gitter-Anodenraura Anschlüsse für HF-Dämpfungsmittel aufweist.

2. HF-Leistungs-Senderöhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gitter-Anodenraum eine Fokussierelektrods angeordnet ist.

3. HF-Leistungs-Senderöhre nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gitter-Anodenraum ein oder mehrere Beschleunigungsleketroden angeordnet sind.

4. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Dämpfungsmittel/\/4-Radial- oder Koaxialleitungen sind.

5. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergitter-Katodenkreis- und/oder der Auskoppelkreis als Koaxial-, Topfkreis oder Hohlraumresonator ausgebildet ist.

6. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuergitter-Katodenkreis und/oder der Auskoppelkreis aus diskreten Elementen (Kondensatoren, Spulen, Widerständen) aufgebaut ist.

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7t HF~Leistungs~SenderÖhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung zum Steuerg.itterkreis und/oder Auskoppelkreis
oder der Steuergitterkreis und/oder der AuskoppeXkreis selbst eine Hochspannungsisolation in Form einer J[ /4-Radialleitung oder einer AA-Koaxialleitung aufweisen.

8. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre eine magnetische Strahlfokussierung mit stromdurchflossenen Spulen aufweist.

9. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre eine magnetische Strahlfokussierung mit Permanentmagneten (homogen oder periodisch fokussiert) aufweist.

10. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre eine elektrostatische Strahlfokussierung aufweist.

11. liF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in der Röhre als Vollstrahl ausgebildet ist.

12. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl als Hohlstiahl ausgebildet ist.

13. HF-Leistungs-Senderöhre nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Wechselwirkung im Auskoppelraum über einen Mehrfachspalt (extended interaction) erfolgt.

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