DE836816C

DE836816C - Waveguide with attenuation that depends on the direction of flow for use in an ultra-short wave amplifier

Info

Publication number: DE836816C
Application number: DESCH2062A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Habil Herbert Schnitger
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1950-05-06
Filing date: 1950-05-06
Publication date: 1952-04-17

Description

Wellenleiter mit einer von der Flußrichtung abhängigen Dämpfung zur Verwendung in einem Ultrakurzwellenverstärker Iit der Dezimeter- und Zentinieterwelleiitcclinik golit matt in zunehmendem -Maße dazu über, Verstärlcei- aus in Kaskade geschalteten Wellenleitern aufzubauen. Durch Elektronenstrablen, die mit den G\'elletileit-erti gekoppelt sind, wird die gewütischt.c Verstärkung erzielt. Es niuß dabei angestrebt l%-erden, ilitierlial@li der gesamten Anordnung, einschließlich des Ausgangs, Störstellen, an denen Reflexionen auftreten können, zu vermeiden, denn Reflexionen bewirken titier\cünsclite Riickkoppktngen. Nun ist es aber meist nichtmöglich, Reflexionen ülter lirefitere hreduetizbänder völlig auszuschalten. Man Trat daher z.13, Wanderfel(Iverstärkerröliren finit ztisiitzliclieti 0linisclien f)iimpfutigen ausgerüstet, die @cirnchmlic'h auf die reflektierten Wellen @@'irken. In der Verstärktitigsrichtung wird eine solche Dämpfung nur zum Teil wirksam, wenn sie so angebracht wird, daß an der Dämpfungsstelle das Signal durch den Elektronenstrahl weitergetragen wird. Abgesehen davon, daß durch solche Dätnpfungsm:aßnallmen die Verstärkung herabgesetzt wird, haben sie häufig .den Nachteil, daß sie ihrerseits wieder als Störung für den Wellenwiderstand der Anordnung wirken und so zu weiteren Reflexionen führen.Waveguide with an attenuation dependent on the flow direction for Use in an ultra-short wave amplifier from the decimeter and centimeter wave clinic golit matt is increasingly being used, amplifying elements connected in cascade Build waveguides. By electron beams, which with the G \ 'elletileit-erti are coupled, the Gewütischt.c gain is achieved. It must be strived for l% -erden, ilitierlial @ li the entire arrangement, including the exit, imperfections, at which reflections can occur should be avoided, because reflections cause titier \ cünsclite Feedback. But now it is usually not possible to lirefitere reflections completely switch off hreduetizbands. One stepped, therefore, at 13, Wanderfel finit ztisiitzliclieti 0linisclien f) iimpfutigen equipped, the @ cirnchmlic'h on the reflected waves @@ 'irken. In the direction of gain it becomes one Damping is only partially effective if it is attached in such a way that at the damping point the signal is carried on by the electron beam. Besides that by such attenuation measures, if the gain is reduced, they have often the disadvantage that they in turn act as a disturbance for the wave resistance the arrangement and thus lead to further reflections.

Die Erfindung betrifft nun Verstärker finit Wellenleitern, die eine von der Flußrichtung abhängige Dämpfung aufweisen. Erfindungsgemäß ist mit dem Wellenleiter ein Elektronenstrahl gekoppelt, dessen Laufbedingungen so gewählt sind, daß er die in der unerwünschten. Richtung fortschreitende Welle dämpft. Die Erfindung geht von der bei Untersuchungen an Wanderfeldröhren gewonnenen Erkenntnis aus, daß die Verstärkung durch einen mit dem Wellenleiber gekoppelten Elektronenstrahl in eine Dämpfung übergeht, wenn man die Elektronengesehwindigkeit nicht gleich der axialen Phasengeschwindigkeit der sich auf dem Wellenleiter frei ausbreitenden Welle macht, sondern in bestimmter Weise größer oder kleiner als diese Geschwindigkeit. Die verstärkende Wirkung bei einer Kopplung zwischen Wellenleiter und Elektronenstrahl beruht bekanntlich darauf, daß das elektrische Feld des Wellenleiters an einem vorgegebenen Punkt eine Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen hervorruft, die an einem weiter zum Ausgang gelegenen Punkt als Verstärkung zur Wirkung kommt, wenn sie sich phasenmäßig richtig zu der auf dem Wellenleiter fortschreitenden Welle addiert. Diese Be,din-(,Urig wird optimal erfüllt, wenn die Elektronengeschwindigkeitgleich der axialen Phasengeschwindigkeit der sich frei auf dem Wellenleiter ausbreitenden Welle ist. Bei größeren oder kleineren Iaektronerigeschwindi,gkeiten kann man erreichen, daß die durch die Geschwindigkeitsmodulation entstehende zusätzliche Hochfrequenzenergie an einem weiter zum Ausgang gelegenen Punkt mit einer Phase ausgekoppelt wird, die der auf dem Wellenleiter laufenden Welle entgegengesetzt gerichtet ist. Der Elektronenstrahl wirkt auf diese Weise dämpfend. Experimentell hat sich ergeben, daß bei Wanderfeldwendelröhren mit einem. durch die Achse geschossenen Elektronenstrahl die Dämpfung am größten wird, wenn die Elektronenstrahlgeschwindigkeit 12% kleiner oder 15% größer als die axiale Phasengeschwindigkeit der Welle ist, wenn die Gescliwindigkeiten in Volt angegeben werden. Von den beiden Dämpfungsmaxima hat unter üblichen Bedingungen das Maximum bei der kleineren Elektronengeschwindigkeit den größeren Wert; es ist meist sehr steil, doch kann man auch noch Dämpfungen von i bis 2 Neper erreichen, wenn die Elektronengeschwindigkeit nur 8%kleiner ist: oder wenn sie bis zu 20% kleiner ist als die axiale Phasen-,-,g der sich frei auf der Wendel aus-])reitenden Welle, wobei die Geschwindigkeiten in Volt auszudrücken. sind. Die Größe der Dämpfung liiingt außerdem von der Stromstärke ab. Sie nimmt zunächst mit steigender Stromstärke zu und dann wieder ab. Das ist verständlich, .da man die größte _\uslöschung zweier Komponenten erreicht, wenn diese Komponenten gleich groß sind. In erster Annäherung kann man daher sagen, d@aß die Stromstärke für die größte Dämpfung etwa so groß gemacht werden muß, wie man sie wählen muß, um mit derselben Röhre bei Gleichheit von Elektronerv geschwindigkeit und axialer Phasengeschwindigkeit eine Spannungsverstärkung um den Faktor 2 zu erzielen. Solange dieser Faktor zwischen 1,4 und 3 lag, wurden stets gute Dämpfungen erzielt.The invention now relates to amplifier finite waveguides, the one have attenuation dependent on the flow direction. According to the invention is with the waveguide coupled an electron beam, the running conditions are chosen so that he the in the undesirable. Direction of advancing wave attenuates. the The invention is based on the knowledge gained in investigations on traveling wave tubes from that the amplification by an electron beam coupled with the wave body turns into a damping, if the electron velocity is not equal to the axial phase velocity of the wave freely propagating on the waveguide makes, but in a certain way greater or less than this speed. The reinforcing effect of a coupling between waveguide and electron beam is known to be based on the fact that the electric field of the waveguide at a predetermined Point causes a speed modulation of the electrons, which continues at one towards the exit point as reinforcement comes into play when they are in phase correctly added to the wave advancing on the waveguide. This Be, din - (, Quaint is optimally fulfilled when the electron velocity is equal to the axial phase velocity is the wave freely propagating on the waveguide. With larger or smaller Electronic energy speeds can be achieved by modulating the speed resulting additional high-frequency energy at a location further from the exit Point is coupled out with a phase that is running on the waveguide Wave is directed in the opposite direction. The electron beam works in this way dampening. Experimentally, it has been shown that with traveling field helical tubes with a. the attenuation is greatest when the electron beam shot through the axis the electron beam velocity is 12% less or 15% greater than the axial phase velocity of the wave when the speeds are given in volts. Of the two Attenuation maxima has the maximum at the lower electron velocity under normal conditions the greater value; it is usually very steep, but you can also get attenuations from Achieve i to 2 neper if the electron speed is only 8% lower: or if it is up to 20% smaller than the axial phase -, -, g of which is free on the Helix from -]) riding wave, where the speeds are expressed in volts. are. The size of the damping also depends on the current strength. she takes first increases with increasing current strength and then decreases again. That is understandable, . because the greatest deletion of two components is achieved when these components are the same size. As a first approximation one can therefore say that the current strength for the greatest attenuation it has to be made about as large as it has to be selected, around with the same tube with equality of electron nerve speed and axial Phase velocity to achieve a voltage gain by a factor of 2. So long this factor was between 1.4 and 3, good damping was always achieved.

Ein derartiger Wellenleiter mit einer von, der Flußrichtung abhängigen Dämpfung läßt sich sehr wirkungsvoll, z. B. zwischen zwei Wanderfeldverstärkerröhren, schalten. Das in der ersten Röhre verstärkte Signal tritt dabei an der Anodenseite des richtungsabhängigen Wellenleiters ein, durchläuft diesen nahezu ohne Dämpfung und tritt an der Kathodenseite wieder aus, um in die zweite Verstärkerröhre einzutreten. Ein z. B. in der zweiten Verstärkerröhre reflektierter Signalanteil tritt an der Kathodenseite in den richtungsabhängigen Wellenleiter ein und wird dort so stark gedämpft, daß nur noch ein verschwindend kleiner Bruchteil in die erste Verstärkerröhre gelangt und somit Selbsterregung oder positive Rückkopplung im gesamten Verstärker nahezu ausgeschaltet sind.Such a waveguide with one dependent on the direction of flow Damping can be very effective, e.g. B. between two traveling field amplifier tubes, switch. The signal amplified in the first tube occurs on the anode side of the direction-dependent waveguide runs through it with almost no attenuation and exits on the cathode side to enter the second amplifier tube. A z. B. in the second amplifier tube reflected signal component occurs at the Cathode side enters the directional waveguide and becomes so strong there attenuated, so that only a tiny fraction is left in the first amplifier tube and thus self-excitation or positive feedback in the entire amplifier are almost off.

Um für den richtungsabhängigen Wellenleiber ein besonderes Hochvakuumgefäß zu ersparen, ist es häufig günstig, .ihn mit einer vorhandenen Wanderfeldröhre zu kombinieren. Der Wellenleiter der Wanderfeldröhre dient dann zur Verstärkung in -der einen Richtung und zur Dämpfung in der anderen Richtung. Der dämpfende Elektronenstrahl wird dazu in entgegengesetzter Richtung zum Strahl der Wanderfeldverstärkerrö'hre geschossen. An beiden Enden des Wellenleiters befinden sich dann je ein Auffänger und je eine Kathode. Die elektronenoptischen Schwierigkeiten, die überwunden werden müssen, um beide Strahlen am Eingang und Ausgang der Wendel zu trennen, sind beträchtlich. Man wird daher bestrebt sein, zur Vereinfachung des Aufbaues zumindest eine Kathodenheizeinrichtung dadurch zu sparen, daß die Gleichstromenergie des Strahls mit der höheren Geschwindigkeit dazu benutzt wird, die Elektronen für den zweiten Strahl durch Sekundärelektronenemission oder durch Erhitzung einer gleichzeitig als Auffänger dienenden Kathode zu erzeugen. Der Strahl mit der höheren Geschwindigkeit wird hierbei nach Durchtritt durch den Wellenleiter so weit abgebremst, daß er nur noch die Differenzgeschwindigkeit der beiden Strahlen hat. Mit dieser Geschwindigkeit trifft er auf die Auffängerprallplatten oder auf die Auffängerkathode auf. Durch .die Wahl des SeJlaundäremissionsfaktors oder der Größe der Elektrode oder der Elektrornenoptnk zwecks Stromverteilung oder der Abkühleigenschaften oder der Emissionseigenschaften kann man erreichen, daß die Stromstärke des Strahls mit der kleineren Geschwindigkeit die richtige Größe hat. Der dämpfende Elektronenstrahl muß nicht unbedingt durch die Wendel geschossen werden, er kann vielmehr auch außerhalb der Wendel verlaufen. Eine gute Dämpfung wurde z.- B. auch dann noch erreicht, wenn sich der dämpfende Elektronenstrahl in einem für sich abgeschossenen Vakuumgefäß befand, das dann in die größtmögliche Nähe der Wendel der Wanderfeldwendelröhre gebracht wurde: Wenn die axiale Phasengeschwindigkeit der sich auf ,dem Wellenleiter frei ausbreitenden Welle in einem großen Bereich unabhängig von der Wellenlänge ist, dann ist auch die Dämpfung des richtungsabhängigen Wellenleiters in einem großen Bereich nahezu unabhängig von der Wellenlänge. Ist jedoch die axiale Phasengeschwindigkeit merklich wellenlängenabhängig, dann würde sich die Verstärkung bei Gleichheit von Flektroiengeschwindigkeit und axialer Phasengeschwindigkeit stark mit der Wellenlänge ändern. Das hat zur Folge, .daß die Strombedingung für maximale Dämpfung nicht mehr erfüllt ist, so daß eine starke Wellenlängenabhängigkeit der Dämpfung eintritt. Diesen störenden Effekt kann man verkleinern, wenn man den Elektronen im Strahl unterschiedliche Geschwindigkeiten gibt. Während dann die Elektronen mit der einen Geschwindigkeit größte Dämpfung bei der einen Wellenlänge ergeben, tun dies die Elektronen mit einer anderen Geschwindigkeit für eine andere Wellenlänge.In order to save a special high-vacuum vessel for the direction-dependent wave body, it is often advantageous to combine it with an existing traveling wave tube. The waveguide of the traveling wave tube is then used for amplification in one direction and for attenuation in the other direction. For this purpose, the attenuating electron beam is shot in the opposite direction to the beam from the traveling field amplifier tube. A collector and a cathode are then located at both ends of the waveguide. The electron-optical difficulties that must be overcome in order to separate both beams at the entrance and exit of the filament are considerable. Efforts will therefore be made, in order to simplify the construction, to save at least one cathode heating device by using the direct current energy of the beam with the higher speed to generate the electrons for the second beam by secondary electron emission or by heating a cathode which also serves as a collector. The beam with the higher speed is decelerated so far after passing through the waveguide that it only has the difference in speed of the two beams. At this speed it hits the collector impact plates or the collector cathode. By choosing the secondary emission factor or the size of the electrode or the electric ring optics for the purpose of current distribution or the cooling properties or the emission properties, it is possible to ensure that the current intensity of the beam with the lower speed is the correct size. The attenuating electron beam does not necessarily have to be shot through the filament; rather, it can also run outside the filament. Good attenuation was also achieved, for example, when the attenuating electron beam was in a vacuum vessel that was fired for itself and which was then brought as close as possible to the spiral of the traveling-field spiral tube: when the axial phase velocity of the waveguide If the freely propagating wave is independent of the wavelength in a large area, then the attenuation of the direction-dependent waveguide is almost independent of the wavelength in a large area. Depending doc axial phase velocity h noticeably wavelength-dependent, then the gain at equality of Flektroiengeschwindigkeit and axial phase velocity would change greatly with wavelength. The consequence of this is that the current condition for maximum attenuation is no longer met, so that the attenuation is strongly dependent on the wavelength. This disturbing effect can be reduced if the electrons in the beam are given different speeds. While the electrons then produce the greatest attenuation at one wavelength at one speed, the electrons do this at a different speed for another wavelength.

Konstruktiv einfacher erhält man die gleiche Wirkung mit einem Ele'ktronenstirahl homogener Geschwindigkeit, den man durch eine Wendel mit von Ort zu Ort unterschiedlicher Steigung schießt. Die größten Steigungsunterschiede können dabei bis zu r50/0 betragen. Je nach der Wellenlänge werden so verschiedene Teile der Wendel für eine optimale Dämpfung wirksam.The same effect is obtained in a structurally simpler manner with an electron beam homogeneous speed, which is achieved by a spiral with different from place to place Slope shoots. The greatest gradient differences can be up to r50 / 0. Depending on the wavelength, so different parts of the helix are used for an optimal Effective attenuation.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Abbildung. Es ist dort ein Wellenleiter mit einer von der Ausbreitungsrichtung abhängigen Dämpfung dargestellt, der mit einer Wanderfeldwendelröhre kombiniert ist. i stellt die Elektronenquelle der M'anderfeldröhre dar und 2 die Kathode, von der die Elektronen für den dämpfenden Strahl ausgehest. 3 ist der gemeinsame Wellenleiter in Form einer Wendel, in den das zu verstärkende Signal durch die konzentrische Zuführung ,4 eintritt und aus dem es durch die ebenso gebaute Leitung 5 austritt. Das Potential der Wendel ist in dem Ausführungsbeispiel auf 1300 V gegenüber der Kathode der Elektronenquelle i eingesteht, wobei in dem Beispiel für das Signal die Maximalverstärkung erreicht wird. Der die Verstärkung bewirkende Elektronenstrahl 6 trifft nach dem Durchlaufen der Wendel zum Teil auf die Kathode 2 und zum Teil auf den Auffänger 7. Der Auffänger 7 dient gleichzeitig als Beschleunigungsanode und Steuerelektrode für die aus der Kathode 2 tretenden Elektronen. Der Dämpfungselektronenstrahl 8 durchläuft in dem Ausführungsbeispiel die Wendel mit einer 1130 V entsprechenden Geschwindigkeit. Während der Verstärkungsstrahl 6 etwa io mA beträgt, so daß er bei 30 cm Wellenlänge und 30 cm Wendellänge rund 3 Neper Verstärkung bewirkt, erzeugt der Dämpfungsstrahl8 miteinerStromstärke von etwa o,8mA eine Dämpfung von etwa 4 Neper für eine Welle, die vom Ausgang zum Eingang läuft. Nach dem Durchtritt durch die Wendel wird der Dämpfungsstrahl von der Hilfselektrode 9 aufgefangen. Durch die richtige Dimensionierung des Magnetfeldverlaufs der Fdkussierungsspule io zwischen Wendelanfang und Elektronenquelle i und Einstellung der Potentiale des Wehneltzylinders i i und, des Ruffängers 9 kann man erreichen, daß der Strahl 6 die Hilfselektrode 9 nahezu ungeschwächt passiert, obwdhl der Strahl 8 nach Umkehr im@Raum zwischen Weltneltzylinder i i und Ruffänger 9 von letzterem fast völlig aufgefangen wird.An embodiment of the invention is shown in the figure. There is shown a waveguide with an attenuation dependent on the direction of propagation, which is combined with a traveling-field helical tube. i represents the electron source of the M'anderfeldröhre and 2 the cathode, from which the electrons for the damping beam emanate. 3 is the common waveguide in the form of a helix, into which the signal to be amplified enters through the concentric feed line 4 and from which it exits through the line 5, which is also constructed. In the exemplary embodiment, the potential of the filament is set at 1300 V with respect to the cathode of the electron source i, the maximum amplification being achieved in the example for the signal. After passing through the coil, the electron beam 6 causing the amplification strikes partly on the cathode 2 and partly on the collector 7. The collector 7 simultaneously serves as an acceleration anode and control electrode for the electrons emerging from the cathode 2. In the exemplary embodiment, the damping electron beam 8 passes through the helix at a speed corresponding to 1130 V. While the reinforcing beam 6 is approximately io mA so as cm at 30 wavelength and 30 cm Length of coil brings about 3 Neper gain, Dämpfungsstrahl8 miteinerStromstärke 8mA generated from about o, an attenuation of about 4 Neper for a wave from output to input runs. After passing through the helix, the damping beam is captured by the auxiliary electrode 9. By correctly dimensioning the magnetic field course of the Fdkussierungsspule io between the beginning of the filament and the electron source i and setting the potentials of the Wehnelt cylinder ii and the Ruffanger 9 one can achieve that the beam 6 passes the auxiliary electrode 9 almost without weakening, although the beam 8 after reversing in the @ space between Weltneltylinder ii and Ruffänger 9 is almost completely absorbed by the latter.

Die Kathode 2 benötigt keine besondere Heizung, cla sie durch deal Aufpralfder Elektronen des Strahls 6 erwärmt wird. Ihre Temperatur läßt sich für einen bestimmten Arbeitspunkt der Röhre durch die Länge des Kühlzylinders 12 einstellen,.The cathode 2 does not require any special heating, cla it by deal Impact of the electrons of the beam 6 is heated. Your temperature can be set for set a certain working point of the tube through the length of the cooling cylinder 12 ,.

Die Magnetspulen 13 und 14 fokussieren die Elektronenstrahlen, während die Lochblenden 15 und 16 die Breitbandigkeit der Ein- und Auskopplung gewährleisten.The magnetic coils 13 and 14 focus the electron beams, while the pinhole diaphragms 15 and 16 ensure the broadband coupling and decoupling.

Das gesamte Elektrodensystem befindet sich in einer Glashülle 17.The entire electrode system is located in a glass envelope 17.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Waveguide with attenuation dependent on the direction of flow for use in an ultra-short wave amplifier, characterized in that an electron beam is coupled to the waveguide, the electron speed or direction of which is selected so that it attenuates the wave advancing in the undesired direction.

2. Waveguides with attenuation that depends on the direction of flow for use in an ultra-short wave amplifier according to claim i, characterized in that that the waveguide is a helix and the speed of the helix coupled electron beam is at least 8% and not more than 2o0 / 0 smaller than the axial phase velocity of the freely propagating on the helix Wave when velocities are expressed in volts.

3. Waveguide with an attenuation dependent on the direction of flow for use in an ultra-short wave amplifier according to claim i, characterized in that the waveguide is a helix and the current strength of the electron beam coupled to the helix is chosen so, that if the electron velocity and the axial phase velocity are equal the wave propagating freely on the helix, the tension amplification of this Formation is at least 1.4 times and not larger than 3 times.

4. Waveguide with an attenuation dependent on the flow direction for use in an ultra-short wave amplifier according to claim i, characterized in that the differences in speed of the individual electrons of the electron beam are greater than the normal speed differences when electrons escape from incandescent or secondary emission cathodes.

5. Waveguide with an attenuation dependent on the flow direction for use in an ultra-short wave amplifier according to claim i, characterized in that individual parts of the waveguide at a given wavelength different values for the axial phase velocity of the freely propagating wave.

6. Waveguide with one of the flow directions dependent attenuation for use in one Ultrashort wave amplifiers according to claims 2 and 5, characterized in that the not for input and Outcoupling belonging part of the helix has a constant radius, but a different one Has pitch.

7. Waveguides with attenuation dependent on the direction of flow for use in an ultra-short wave amplifier according to claim r, characterized in that d, a second in the opposite direction to the attenuating electron beam Electron beam is shot, the amplification of a running in this direction Wave causes. B.

Waveguide with attenuation dependent on the direction of flow for use in, an ultra-short wave amplifier according to claim 7, characterized in that that the cathode of one of the two electron beams is a baffle plate from another beam is wholly or partially applied after this beam the Has traversed waveguide. G.

Waveguide with a dependent on the flow direction Attenuation for use in an ultra-short wave amplifier according to Claim 8, characterized in that marked, d, the secondary electron beam ate the one traveling in its direction Wave attenuates. ro.

Weave conductors with attenuation depending on the flow direction Use in: an ultra-short wave amplifier according to An.spruoh7, characterized in that the cathode of the second beam is at the same time the receiver of the first beam and is heated by this. i r.

Waveguides with an attenuation that depends on the direction of flow for use in an ultra-short wave amplifier according to claims 2, 3, 7 or 8, characterized in that it is connected between two traveling field amplifier tubes is that in the direction of flow of the signal to be amplified, the attenuation is negligible small and in the direction of a signal reflected towards the amplifier input is great.

12. Applying the running conditions for an electron beam in one Waveguide according to claims 2 and 3 to one of the usual ones for reinforcement purposes Traveling coil tubes.