DE844181C

DE844181C - Abstimmeinrichtung an Hohlraumresonatoren fuer hochfrequente elektromagnetische Schwingungen

Info

Publication number: DE844181C
Application number: DEP55739A
Authority: DE
Inventors: Alfred Kaech
Original assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Current assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Priority date: 1948-10-29
Filing date: 1949-09-24
Publication date: 1952-07-17
Also published as: NL143663B; NL75155C; FR996411A; CH269935A

Description

Für elektromagnetische Schwingungen sehr hoher Frequenz im Meterwellen- und Zentimeterwellengebiet finden in steigendem Maße als Schwingungskreise sog. Hohlraumresonatoren Verwendung. Diese Resonatoren bilden einen nach außen durch metallische Wände abgeschlossenen Hohlraum, der durch geeignete Formgebung und vermittels geeigneter im Innern angeordneter Leitergebilde bei einer gewünschten Frequenz in Resonanz gerät. Es stellt sich dann eine ganz bestimmte und für den betreffenden Typus des Hohlraumresonators charakteristische Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes im Innern des Hohlraumes ein. Die Kopplung nach außen vermitteln kapazitiv oder induktiv wirkende Koppelelemente, die durch das elektrische bzw. magnetische Hohlraumfeld angeregt werden und mit den äußeren Schaltelementen verbunden sind. Zur Abstimmung des Hohlraumes auf die gewünschte Frequenz dienen im allgemeinen Einrichtungen, welche eine mechanische ao Deformation des Hohlraumes bewirken, z. B. in den Hohlraum eintauchende Stempel, die am Ort maximalen elektrischen Feldes angeordnet sind und zur Veränderung der wirksamen Querkapazität dienen. Auch die Verkleinerung des dem ma- as gnetischen Feld zur Verfügung stehenden Raumes durch einschraubbare Metallstempel ist bekannt. Diese Anordnungen erfordern meistens große

mechanische Kraft zur Betätigung, da die aufeinandergleitenden Metallflächen zwecks Vermeidung von Strahlungsverlusten sehr fest aufeinander gepreßt werden müssen. Für eine Motorabstimmung, automatische Nachstimmung oder ähnliche Fälle, wo nur kleine mechanische Kräfte zur Verfügung stehen, eignen sich diese Anordnungen also nicht. Es ist weiterhin bekannt (schweizerische Patentschrift 237 892), die Abstimmung mittels einer in den Hohlraum eingreifenden Koppelschleife vorzunehmen, die mit einem Stromkreis von veränderlichem Blindwiderstand verbunden ist. Derartige Stromkreise bringen aber erfahrungsgemäß infolge der bei ihnen verwendeten Schleifkontakte und anderer Eigenschaften Verluste mit sich, die die resultierende Resonanzschärfe des Hohlraumresonators in unkontrollierbarer Weise beeinflussen. Schließlich ist es auch bekannt, im Innern eines Hohlraumresonators (amerikanische Patent-

ao schrift 2 4421671) einen U-förmigen Bügel anzuordnen, der um seine Längsachse drehbar ist und in der einen Endlage den Raum für das magnetische Hohlraumfeld verkleinert, d. h. die Hohlrauminduktivität herabsetzt,' in der anderen Endlage durch kapazitiven Schluß seiner Schenkel mit den Hohlraumwänden die Hohlraumkapazität heraufsetzt. Diese Anordnung erfordert höchste Präzision in der Herstellung und sehr genaues Einpassen und verzerrt außerdem die Hohlraumfelder sehr stark, so daß neben der Abstimmung auch in wesentlichem Maße die Ankopplung der übrigen in den Hohlraum eintauchenden Koppelelemente verändert wird.

Die Erfindung betrifft eine Abstimmeinrichtung für Hohlraumresonatoren und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem fest eingestellten Blindwiderstand verbundene Koppelschleife bewegbar so in den Hohlraumresonator eintaucht, daß sich bei der Bewegung der durch die Koppelschleife hindurchtretende magnetische Kraftlinienfluß ändert, die Resonanzfrequenz des durch Koppelschleife und Blindwiderstand gebildeten Kreises jedoch konstant bleibt und daß die Impedanz des festen Blindwiderstandes zusammen mit der Impedanz der Koppelschleife auf eine in der Nähe der Hohlraumresonanzfrequenz liegende Eigenfrequenz so eingestellt ist, daß die bei Veränderung des die Koppelschleife durchsetzenden Kraftlinienflusses bewirkte Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators auf einer der beiden Flanken der Resonanzkurve des durch Koppelschleife und Blindwiderstand gebildeten Kreises verläuft.

Die feste Einstellung des mit der Koppelschleife verbundenen Blindwiderstandes ermöglicht einerseits die völlige Vermeidung von unkontrollierbaren Verlusten und andererseits die Ausbildung von Konstruktionen, bei denen die Abstimmung auch mit geringsten Kräften betätigt werden kann.

Die elektrische Wirkung besteht in der mittels variabler Kopplung hervorgerufenen variablen Beeinflussung der Hohlraumresonanzfrequenz durch den fest eingestellten Blindwiderstand.

An Hand verschiedener Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher beschrieben werden. Fig. 1 zeigt den einfachsten Typ eines Hohlraumresonators. Ein Hohlzylinder 1 ist durch zwei Abdeckplatten 2 und 2' abgeschlossen. Der Abstand zwischen den Abdeckplatten ist klein gegen die gewünschte Wellenlänge λ, der Radius dagegen in der Umgebung von 0,38 λ (erste Nullstelle der Besselschen Funktion nullter Ordnung). Das magnetische Feld bildet dann konzentrische Ringe um die Zylinderachse, das elektrische Feld verläuft axial und ist in der Zylindermitte am stärksten. Ein zentraler Stempel 8 dient zur Grobabstimmung. Mit 3 ist eine nach außen führende Koppelschleife bezeichnet, durch die der Resonator z. B. angeregt wird. Die gemäß der Erfindung ausgebildete Abstimmeinrichtung ist mit 4 bezeichnet. Eine U-förmige Koppel schleife geht durch Verlängerung ihrer Schenkel in eine am Ende offene Paralleldrahtleitung über, die den fest eingestellten Blindwiderstand bildet. Die elektrische Länge dieses Systems, das auf einer Isolierachse 5 hefestigt ist, ist entweder etwas kürzer oder etwas länger als eine viertel Wellenlänge derjenigen Resonanzfrequenz des Hohlraums, die sich einstellt, wenn die Kopplung mit dem System 4 Null ist. Je näher die Resonanzfrequenz von 4 an der Hohlraumresonanzfrequenz Hegt, desto größer ist die Beeinflussung der letzteren durch das Abstimmsystem. Nun kann die Kopplung des Systems 4 mit dem Hohlraum entweder durch Drehung der Achse 5 oder durch axiale Verschiebung der Achse 5 erfolgen. Im letzteren Fall ist es günstig, an der Durchtrittsstelle 6 der Isolierachse durch die Hohlraumwand ein Abschirmrohr 7 anzubringen, das ein Herausziehen der Achse 5 erlaubt, ohne daß das System 4 in den Außenraum ragt. Man vermeidet auf diese Weise alle Strahlungsverluste, ohne daß metallische Dichtungen notwendig sind, die die mechanische Beweglichkeit erschweren.

Wie in Fig. 1 angedeutet, wird das Abstimmsystem 4 mit Vorteil als kleiner Blechbügel ausgebildet. Die Querabmessungen des Bügels können hierbeLgegen den Abstand der Wände 2 und 2' sehr klein gehalten werden, so daß das Hohlraumfeld praktisch nicht verzerrt wird und die Koppelschleife 3 stets gleich fest angekoppelt bleibt. Der U-förmige Abstimmbügel 4 kann nötigenfalls als Iwindförmiger Metallbelag auch unmittelbar auf die Tsolierachse aufgespritzt oder eingebrannt werden. Die Länge des Systems 4 muß selbstverständlich unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstante des Isolierstabes 5 gewählt werden. Ist die elektrische Länge von 4 kleiner als Xl 4, so wirkt das Abstimmsystem im Sinne einer Induktivitätsvergrößerung, ist sie größer als XI4, im Sinne einer Induktivitätsverkleinerung der Hohlrauminduktivität. Die elektrische Wirkung der beschriebenen Anordnung geht aus Fig. 2 hervor. Auf der Frequenzachse / ist mit /,, die Resonanzfrequenz des Abstimmsystems 4 der Fig. 1 bezeichnet, mit R die Resonanzkurve dieses Abstimmsystems. Ist nun die Kopplung zwischen Hohlraum und Ab-

stimnisystein auf Null eingestellt, so liegt die Hohlraumresonanzfrequenz z. B. bei /„' oder bei f₀", je nachdem ol> die Eigenfrequenz /„ des Abstimmsystems oberhalb oder unterhall) der Hohlraumfrequenz gewählt wurde. Vergrößert man nun die Kopplung z. B. durch Drehen oder tieferes Eintauchen, so verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Hohlraumes etwa in dem schraffiert gezeichneten Bereich. Die sich einstellende Hohlraumresonanzfrequenz wird dabei in jedem Fall von der Eigenfrequenz f_p des Abstimmsystems weggeschoben, so daß niemals der Fall eintreten kann, daß diese mit f_p zur Ül>ereinstimmung kommt, denn dies würde infolge der entstehenden großen Rückwirkung des Abstimmsystems auf den Hohlraumkreis zu einem Undefinierten Zustand in der Abstimmlage führen und damit eine eindeutige Abstimmung des Hohlraumresonators unmöglich machen.

Statt der in Fig. 1 gezeichneten offenen Abstimmleitung 4 kann man auch eine an dem der Koppelschleife gegenüberliegenden Ende kurzgeschlossene Doppelleitung benutzen, muß dann jedoch diese Leitung vor der Einwirkung des Holilraummagnetfeldes abschirmen, da sich sonst der bei unabgeschirmten Kurzschlußschleifen zu beobachtende Effekt einstellt, daß sich die Gesamtwirkung des magnetischen Feldes kompensiert und überhaupt keine Abstimmbeeinflussung zvt erreichen ist. Ein Ausführungsbeispiel mit kurzgeschlossener Leitung zeigt Fig. 3. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind gleich bezeichnet, 9 ist eine Koppelschleife, 10 das als konzentrische Leitung ausgebildete kurzgeschlossene System und 5 wieder eine TscJlierachse wie in Fig. 1.

Fig. 4 zeigt die kombinierte Anwendung eines offenen Leitungssystems, das elektrisch kurzer als λ/4 ist, mit einem offenen Leitungssystem, das elektrisch langer als λ/4 ist. Die Isolierachse 5 ragt hier nicht radial, sondern in Achsrichtung in den Hohlraum. An ihrer Stirnseite sind die beiden in entgegengesetzte Richtung weisenden offenen Leitungssysteme 4' und 4" angebracht, die in der Mitte über den zentralen Metallstab 19 miteinander verbunden sind. Der Blindwiderstand der kürzeren Leitung 4" ist kapazitiv, derjenige der längeren Leitung 4' induktiv. In der gezeichneten Stellung wirkt nur das kürzere System 4', während das längere 4", das vom,Kraftlinienfluß des Hohlraumes nicht umfaßt wird, elektrisch unwirksam ist. Dreht man die Achse 5 um 90°, so wirken beide Systeme, heben sich jedoch in der Gesamtwirkung auf; dreht man um weitere 90°, so wirkt nur das längere 4", während das kürzere 4' wirkungslos wird.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Art von Hohlraumresonatoren beschränkt, sondern kann bei allen anderen Typen in gleicher Weise angewandt werden. Ein besonderes Ausführungsbeispiel zeigt noch Fig. 5. Hier dient die Erfindung zur Abstimmung der Frequenz einer Magnetfeldröhre besonderer Art (vgl. beispielsweise die schweizerische Patentschrift 224083). 11 ist wieder ein Hohlraumresonator, der durch Segmente 12 j kapazitiv belastet ist. Diese Segmente dienen j gleichzeitig als Anodensegmente eines Vielschlitz- G5 magnetrons, dessen Kathode mit 13 bezeichnet ist. Bei geeigneter Anodenspannung zwischen Kathode und den Segmenten und bei geeignetem axialem Magnetfeld schwingt diese Röhre mit einer Frequenz, die gleich der Eigenfrequenz des Resonators ist. Die letztere kann nun mittels eines analog zu Fig. ι aufgebauten Abstimmsystems abgestimmt werden. Da der Resonator im Vakuum untergebracht ist, ist eine Drehung des Abstimmsystems 4 mittels der Isolierachse 5 schwer durch- \ zuführen. Dagegen ist eine Längsverschiebung leichter möglich. Hierzu dient ein vakuumdichtes, mechanisch ausziehbares Metallrohr 16, das mit dem Glaskolben'17 verschmolzen ist und an dessen Abschluß die Isolierachse befestigt ist. Mittels der Schraube 18 kann die Abstimmung verändert werden.

Statt Leitungssystemen können als feste Blindwiderstände natürlich auch konzentrierte Kapazitäten und Induktivitäten zur Einstellung des Ab-Stimmsystems auf eine bestimmte Resonanzfrequenz dienen, die vorteilhaft im Innern des Hohlraumes unterzubringen sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Abstimmvorrichtung an Hohlraumresonatoren für hochfrequente elektromagnetische Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem fest eingestellten Blindwiderstand verbundene Koppelschleife bewegbar so in den Hohlraumresonator eintaucht, daß sich bei der Bewegung der durch die Koppelschleife hindurchtretende magnetische Kraftlinienfluß ändert, die Resonanzfrequenz des durch Koppelschleife und Blindwiderstand gebildeten Kreises jedoch konstant bleibt und daß die Impedanz des festen Blindwiderstandes zusammen mit der Impedanz der Koppelschleife auf eine in der Nähe der Hohlraumresonanzfrequenz liegende Eigenfrequenz so eingestellt ist, daß die bei Veränderung des die Koppelschleife durchsetzenden Kraftlinienflusses bewirkte Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators auf einer der beiden Flanken der Resonanz- »o kurve des durch Koppelschleife und Blindwiderstand gebildeten Kreises verläuft.
2. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife axial drehbar ist. i»5
3. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife aus dem Hohlraumresonator herausziehbar ist.
4. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Koppelschleife verbundene Blindwiderstand aus einer Doppelleitung besteht.
5. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ouerabmessungen der Doppelleitung so klein sind, daß das wirksameHohlraumvolumen durch die Bewegung

des Abstimmsystems nicht wesentlich verändert wird.
6. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelleitung an dem der Koppelschleife gegenüberliegenden Ende offen ist.
7. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelleitung auf einer in den Hohlraumresonator eintauchen- j den Isolierachse befestigt ist.
8. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelleitung durch einen auf die Isolierachse aufgespritzten bandförmigen Metallbelag gebildet wird.
9. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Koppelschleife verbundene Blindwiderstand aus zwei in entgegengesetzte Richtungen verlaufenden offenen Doppelleitungen besteht, von denen die eine eine elektrische Länge von weniger als ¹A der Resonanzwellenlänge des Resonators, die andere eine elektrische Länge von mehr als ¹A der genannten Wellenlänge besitzt.
10. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelleitung as völlig im Innern des Hohlraumresonators untergebracht ist.
11. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Koppelschleife verbundene Blindwiderstand aus einer Koaxialleitung besteht.
12. Abstimmvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator gleichzeitig das Anodensystem einer Magnetronröhre bildet und die Koppelschleife über einen Isolierkörper, der aus dem Hohlraumresonator hinausragt, an einem vakuumdichten, von außen mechanisch deformierbaren Teil des Röhrenkolbens befestigt ist.

Angezogene Patentschriften:
Französische Patentschrift Nr. 852855.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 5221 7.