DE759247C

DE759247C - Method for amplifying high-frequency vibrations

Info

Publication number: DE759247C
Application number: DER106624D
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Reusse
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1939-12-22
Filing date: 1939-12-22
Publication date: 1954-03-01

Description

Verfahren zur Verstärkung hochfrequenter Schwingungen Die Verstärkung ultrahochfrequenter Schwingungen und Impulse stößt bekanntlich auf erhebliche Schwierigkeiten. Die üblichen Röhren, wie Trioden und Mehrgitterröhren, versagen, sobald die Wellenlänge kürzer wird als etwa 6o cm. Aber auch diese Wellenlänge beherrscht man nur unter Berücksichtigung besonderer Vorsichtsmaßregeln, deren wichtigste diejenige ist, die Kapazität zwischen ,den einzelnen: Elektroden möglichst klein zu halten. Das bedeutet insbesondere die Forderung nach geringen räumlichen Dimensionen. Da infolgedessen die Kathode sehr klein sein muß, steht nur ein relativ geringer Emiss ionsstrom für den Betrieb der Röhre zur Verfügung. Bei den übrigen Elektroden bedeutet die Forderung nach kleinen Dimensionen eine Beschränkung ihrer Leistungsaufnahme; das trifft insonderheit für die Anode sowie für etwaige sonstige. Elektroden zu, ,die auf positivem Potential liegen und daher eine mehr oder weniger große Stromaufnahme haben. Die Leistungsfähigkeit der Röhren ist daher mach oben hin weitgehend eingeschränkt. Das gleiche .gilt natürlich außer für die Verstärkung auch für die Erzeugung, Gleichrichtung und Modulation kurzer elektromagnetischer Wellen.Method for amplifying high-frequency vibrations The amplification It is well known that ultra-high frequency vibrations and pulses encounter considerable difficulties. The usual tubes, such as triodes and multigrid tubes, fail as soon as the wavelength is reached becomes shorter than about 60 cm. But even this wavelength is only mastered under Consideration of special precautionary measures, the most important of which is the capacity between, the individual: electrodes to keep as small as possible. That means in particular the requirement for small spatial dimensions. As a result the cathode must be very small, there is only a relatively low emission current available for the operation of the tube. For the other electrodes, the means Demand for small dimensions a limitation of their power consumption; the applies in particular to the anode and any other. Electrodes to, that are at positive potential and therefore a more or less large current consumption to have. The performance of the tubes is therefore largely limited at the top. The same, of course, applies not only to the amplification but also to the generation and rectification and modulation of short electromagnetic waves.

Das, Bedürfnis nach leistungsfähigeren Systemen hat nun unter anderem zu einer Röhrenform geführt, die auf der physikalischen Erscheinung der Phasenfokussierung beruht. Das Versagen der obengenannten üblichen Trioden usw. beruht ja bekanntlich auf der Tatsache, daß die Elektronen für ihre Wege zwischen den einzelnen Elektroden endliche, von 4 verschiedene Zeiten benötigen. Das ist belanglos, solange die Periode der zu verstärkenden hochfrequenten Schwingung groß gegenüber den Laufzeiten der Elektronen zwischen den Elektroden ist. Wird aber mit wachsender Frequenz die Periodendauer der elektrischen Schwingung kleiner, dann erreicht sie schließlich denWert der Elektronenlaufzeit. Es kommt dann zu Verzerrungen der ursprünglichen Wellenform; daneben erhält man in wachsendem Maße Dämpfung, verbunden mit dein Nachteil, daß die Gittersteuerung nicht mehr leistungsfrei erfolgt.The need for more powerful systems now has, among other things led to a tubular shape that focuses on the physical appearance of the phase is based. As is well known, the failure of the above-mentioned common triodes etc. is based on the The fact that the electrons are finite for their paths between the individual electrodes, of 4 different times. This is irrelevant as long as the period is The high-frequency oscillation to be amplified is large compared to the transit times of the electrons between the electrodes. But the period duration increases with increasing frequency the electrical oscillation is smaller, then it finally reaches the value of the electron transit time. The original waveform is then distorted; next to it you get increasingly attenuation, combined with your disadvantage that the grid control is no longer free of payment.

Die endliche, von Ü verschiedene Laufzeit der Elektronen kann man nun auf dem Wege über die Phasenfokussierung auf dem ultrahochfrequenten Gebiet nutzbar machen. Zu diesem Zweck wird ein z. B. mit elektronenoptischen Mitteln zu einem konzentrierten Bündel fokussierter Kathodenstrahl in bekannter Weise bezüglich seiner Geschwindigkeit moduliert. Aus dem geschwindigkeitsmodulierten Bündel wird dann durch Einschaltung eines Laufweges für den Strahl ein intensitätsmodulierter Strahl erzeugt, in dem sieh die Elektronen zu Gruppen bündeln. Die in diesen Gruppen, vereinigte Ladungsenergie mußnun durch Ankopplungeines schwingungsfähigen Systems in Hochfrequenzenery e unigesetzt werden. Ein derartiges. Gebilde zeigt z. B. Abb. i. Es besteht im wesentlichen aus zwei konzentrischen Rohren i und 2, die durch eine gemeinsame Kreis- oder Kreisringplatte 3 miteinander verbunden sind. Eine kreisringförmige Platte d. schließt das Gebilde auf der entgegengesetzten Seite so weit ab, daß die Öffnung 5 zu dem inneren Rohr offen bleibt. Da dieses letztere Rohr etwas kürzer ist als das äußere, erhält man bei 6 einen ringförmigen Schlitz. Der- entstandene schwingungsfähige Raum, der eine ziemlich scharfe Resonanzfrequenz aufweist, ist in Abb. i schraffiert und wird in an sich bekannter Weise dadurch zum Schwingen angeregt, daß ein, wie oben beschrieben, in geeigneter Weise modulierter Elektronenstrahl 8 an dem Schlitz 6 vorübergeführt wird.The finite transit time of the electrons, which differs from Ü, can be determined now on the way to phase focusing in the ultra-high frequency area make useful. For this purpose, a z. B. with electron optical means with respect to a concentrated beam of focused cathode ray in a known manner modulated its speed. The speed-modulated bundle becomes then by switching on a path for the beam, an intensity-modulated one Beam generated in which you can see the electrons bundle into groups. Those in these groups The combined charge energy must now be coupled to an oscillating system can be used in high frequency signals. Such a thing. Structure shows z. B. Fig. i. It essentially consists of two concentric tubes i and 2 that run through a common circular or circular ring plate 3 are connected to one another. A circular one Plate d. closes the structure on the opposite side so far that the Opening 5 to the inner tube remains open. Because this latter tube is a little shorter is than the outer, an annular slot is obtained at 6. The resulting one vibratory space that has a fairly sharp resonance frequency hatched in Fig. i and is thereby made to oscillate in a manner known per se stimulated that, as described above, appropriately modulated electron beam 8 is passed past the slot 6.

Der beschriebene schwingungsfähige Körper ist ein Beispiel. Ebenso könnte auch z. B. ein ringförmiger Hchlraumresonanzl:örper verwendet werden.The vibratory body described is an example. as well could also z. B. an annular Hchlraumresonanzl: body can be used.

In jedem Fall muß nunmehr dem Resonanzkörper die Hochfrequenzenergie in geeigneter Weise entnommen werden, um sie einer Antenne oder einem sonstigen Verbraucher zuzuführen. Das kann z. B. durch magnetische Ankopplung mittels einer Koppelschleife 7 geschehen, die isoliert in 6 eingeführt ist und die durch die magnetischen Kraftlinien der Schwingung erregt wird.In any case, the sound box must now he p radio frequency energy are removed in a suitable manner, to supply it to an antenna or another consumer. This can be B. done by magnetic coupling by means of a coupling loop 7, which is introduced in isolation in 6 and which is excited by the magnetic lines of force of the vibration.

Der Nachteil -dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß immer nur ein Teil der im Kathodenstrahl zur Verfügung stehenden Hochfrequenzenergie ausgekoppelt werden kann.The disadvantage of this known arrangement is that always only part of the high-frequency energy available in the cathode ray is decoupled can be.

Um den Wirkungsgrad zu steigern, wird erfindungsgemäß folgender Weg vorgeschlagen: Der modulierte Kathodenstrahl wird nach Durchgang durch die Erregungsstelle 6 an einem Elektronenspiegel reflektiert. Er geht dann in umgekehrter Richtung erneut bei 6 vorbei und erregt wiederum den Schwingkörper. Derartige Elektronenspiegel sind aus der Literatur bekannt. Es muß nur dafür gesorgt werden, daß die Phasenbeziehungen zu einer Summierung der ausgekoppelten Leistungen führen. Um eine Summierung der ausgekoppelten Schwingleistung zu erhalten, müssen die rücklaufenden Elektronen bzw. deren Intensitätsüberhöhungen in der Phase um gegen die vorlaufenden Impulse verschoben durch das Spaltfeld hindurchfliegen.In order to increase the efficiency, the following way is proposed according to the invention: After passing through the excitation point 6, the modulated cathode ray is reflected on an electron mirror. It then passes again in the opposite direction at 6 and again excites the oscillating body. Such electron mirrors are known from the literature. It only has to be ensured that the phase relationships lead to a summation of the decoupled services. In order to get a summation of the decoupled oscillation power, the returning electrons or their intensities have to be changed in phase Fly through the slit field shifted against the leading impulses.

Abb. 2 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Röhre. Darin ist i ein bekanntes System zur Erzeugung eines schmalen Kathodenstrahlbündels. An zwei der evtl. gleichzeitig als Linsenelektroden dienenden Blenden, Ringe, Zylinder od. dgl. wird die zu verstärkende Hochfrequenzspannung angelegt. Der Kathodenstrahl wird dadurch moduliert, und zwar zunächst bezüglich seiner Geschwindigkeit, wie oben beschrieben. Der Schlitz 6 habe nun einen Abstand von der Steuerelektrode, der gleich dem Gruppenabstand oder einem ganzen Vielfachen desselben ist. Der modulierte Kathodenstrahl 2 durchfliegt also den Schwingkörper 3, den er bei seinem Vorbeigang am Schlitz 6 anregt. Er trifft dann: bei 5 einen an sich bekannten Elektronenspiegel, an dem er reflektiert wird. Sorgt man dafür, d aß die Summe der Laufzeiten von 6 nach 5 und wieder zurück von 5 nach 6 gerade zu einer Erfüllung der oben angegebenen Phasenbeziehungen führt, dann ; werden sich in jeder Halbphase Elektronen gruppen bei 6 befinden,, die die im Schwingkreis angefachte Schwingung erneut anfachen. Die bei einfacher Anordnung ohne Spiegel erzielbare Wirkung wird daher, mindestens theoretisch, verdoppelt. Praktisch wird die Verdopplung um so mehr angenähert, je "weniger Elektronen durch die Reflexion verlorengehen oder auf sonstige Weise dem Strahlenbündel entzogen werden.Fig. 2 shows an example of a tube according to the invention. In it is i a known system for generating a narrow cathode ray beam. On two the diaphragms, rings, cylinders or the like that may serve as lens electrodes at the same time. The high-frequency voltage to be amplified is applied. The cathode ray is thereby modulated, initially with regard to its speed, such as described above. The slot 6 is now at a distance from the control electrode, which is equal to the group distance or a whole multiple thereof. The modulated Cathode ray 2 therefore flies through the oscillating body 3, which it is passing by at the slot 6 stimulates. It then hits: at 5 an electron mirror known per se, on which it is reflected. If you make sure that the sum of the running times of 6 after 5 and back again from 5 to 6 straight to a fulfillment of the above Phase relationships leads, then; electrons will group in each half-phase located at 6, which re-fuel the oscillation fanned out in the resonant circuit. The effect that can be achieved with a simple arrangement without a mirror is therefore at least theoretically, doubled. In practice, the doubling is all the more approximated, the more "fewer electrons are lost through reflection or otherwise Beams are withdrawn.

Bei der praktischen Durchführung des Erfindungsgedankens müssen die räumlichen Dimensionen ,dier Röhre zunächst rechnerisch festgelegt werden. Ausgangspunkt ist dabei die Eigenfrequenz des, Resonanzkreises 3, die in einer elementaren Beziehung zu seinen räumlichen Dimensionen steht. Die auf diese Weise fes%-elegteFrequenz verlangt nuneinerseits einen bestimmten Abstand des Schlitzeis 6 von derjenigen Stelle, an der der Strahl moduliert wird, andererseits einenbestimmten Abstand von dem Spiegel 5. Diese Abstände können auf elementarem Wege berechnet werden. und gelten, jeweils für Elektronen einer gewissen: mittleren Geschwindigkeit, die durch die entsprechende Vorbeschleunigung der Elektronen in einem Gleichfeld sichergestellt wird. Bei festen geometrischen Verhältnissen kann man :daher dÜrch Variation der Vorbeschleunigungsspannung einen gewissen Bereich vonFrequenzen überstreichen. Dieser Bereich kann unter Umständen noch dadurch erweitert werden., d@aß man den Resonanzkreis veränderlich macht. Der letztere kann in die Vakuumröhre eingebaut werden, er kann sie auch auf der Außenseite. umgeben oder, mindestens teilweise, die Wand der Röhre selbst darstellen.In the practical implementation of the inventive concept, the spatial Dimensions, the tube initially determined by calculation will. The starting point is the natural frequency of the resonance circuit 3, which is shown in has an elementary relationship to its spatial dimensions. The on this A wise fixed% -elegte frequency now on the one hand requires a certain distance between the slot ice 6, on the other hand, a certain one from the point at which the beam is modulated Distance from the mirror 5. These distances can be calculated in an elementary way will. and apply, in each case for electrons of a certain: mean velocity, that by the corresponding pre-acceleration of the electrons in a constant field is ensured. With fixed geometrical relationships you can: therefore through Variation in pre-acceleration voltage sweeps over a certain range of frequencies. Under certain circumstances, this area can still be expanded by the fact that one ate the Makes resonance circuit changeable. The latter can be built into the vacuum tube it can also be used on the outside. surrounded or, at least partially, represent the wall of the tube itself.

Claims

PATENT CLAIM: Method for amplifying high-frequency vibrations in which a speed modulation of a concentrated cathode ray beam is first carried out; and then a bundling of the electrons. to groups is achieved by appropriate dimensioning of the path and the groups at the distance of the group formation or a whole multiple thereof from the modulation electrode by induction at a suitable coupling point excite an oscillating circuit, characterized in that on the side of the oscillating circuit facing away from the cathode there is an electron mirror provided and operated in such a way that the electrons after reflection on: the same pass the Koppe a second time, and that the distance between the coupling point and the electron mirror is chosen so that, taking into account the phase relationships of the groups forming at the coupling point, a summation of the decoupled power and that the electrons cover distances between each two passages which are equal to the group spacing defined by the pre-acceleration voltage and the level of the applied modulation voltage or equal to a whole multiple thereof. To delimit the subject matter of the invention from the prior art are. The following publications were taken into account in the grant procedure: German Patent Specifications No. 625 2.43, 671 552; French Patent No. 818,970; USA. Pat. No. 2,075 379e Radio Amateur, June 1939, p 2q19, fig. 1 i.