DE854378C - VHF amplifier using a traveling wave tube - Google Patents

VHF amplifier using a traveling wave tube

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DE854378C DEC2912A DEC0002912A DE854378C DE 854378 C DE854378 C DE 854378C DE C2912 A DEC2912 A DE C2912A DE C0002912 A DEC0002912 A DE C0002912A DE 854378 C DE854378 C DE 854378C
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Oscar Doehler
Werner Kleen
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Description

(WiGBl. S. 175)(WiGBl. P. 175)

AUSGEGEBEN AM 4. NOVEMBER 1952ISSUED NOVEMBER 4, 1952

C 2912 VIII a j 21 a*C 2912 VIII a j 21 a *

Man kennt bereits Lauf röhren nach Art der Wanderfeldröhren (siehe z.B. Artikel von Kompfner, Wireless World Nr. 52, November 1946), bei denen ein Elektronenbündel sich in dem Feld einer fortschreitenden Welle mit einer Geschwindigkeit fortbewegt, die annäherungsweise gleich der Phasengeschwindigkeit der Welle ist. Man kann feststellen, daß die Wechselwirkung zwischen den Elektronen des Bündels und dem axial gerichteten elektrischen Vektor der Welle zwei Wirkungen hervorbingt: τ. eine Energieübertragung von den bewegten Elektronen auf die Welle (die Energie wächst nach Maßgabe ihrer Fortpflanzungsgeschwindigkeit) ; 2. die Elektronen in dem Bündel werden zu Gruppen zusammengedrängt (es erfolgt eine Anderung in der Dichte, die längs des Bündels zunimmt). One already knows barrel tubes like the traveling wave tubes (see e.g. article by Kompfner, Wireless World No. 52, November 1946), in which a bundle of electrons is in the field of a advancing wave is traveling at a speed approximately equal to the phase speed the wave is. One can see that the interaction between the electrons of the bundle and the axially directed electric vector of the wave produces two effects: τ. an energy transfer from the moving electrons to the wave (the energy increases according to their speed of propagation); 2. the electrons in the bundle become too Groups crowded together (there is a change in density that increases along the bundle).

J Die Wanderfeldröhren bekannter Art benutzen nur die erste der beiden Wirkungen. Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Röhre, in der die beiden Wirkungen gleichzeitig nutzbar gemacht sind, wodurch ein besserer energetischer Wirkungsgrad gesichert ist.J The known type of traveling wave tubes use only the first of the two effects. The subject The present invention forms a tube in which the two effects can be used simultaneously are made, whereby a better energetic efficiency is ensured.

Zu diesem Zweck wird der für das Elektronenbündel übliche Kollektor nach der Erfindung durch einen Hohlraumresonator ersetzt. Außerdem sind Vorrichtungen vorgesehen, die gestatten, die auf den Hohlraumresonator und die auf den Wellen-For this purpose, the usual collector for the electron beam according to the invention by replaced a cavity resonator. In addition, devices are provided that allow the the cavity resonator and the wave

leiter übertragene Energie phasenrichtig zu addieren. Weiterhin sind Kopplungsvorrichtungen zwischen den Ein- und Ausgangskreisen vorgesehen. Die Erfindung wird unter Heranziehungder Zeichnungen verständlicher, die ohne Einschränkung des Erfindungsgedankens verschiedene Vorrichtungen darstellen, um das gewünschte Ziel zu erreichen.add the energy transmitted through the conductors in the correct phase. Furthermore, coupling devices are between provided for the input and output circuits. The invention is illustrated using the drawings more understandable, the various devices without limiting the inventive concept represent to achieve the desired goal.

Die Abb. ι stellt eine spezielle Art der Verwirklichung des Erfindungsgedankens dar. Man sieht in ίο ihr die Wellenlauf röhre t, die Wendel c dieser Röhre, welche als Wellenleiter dient, das Elektronenbündel /, welches die Energie der aus der Kathode k ausgesandten Elektronen mit der fortschreitenden Welle austauscht, die Eingangsleitung e und die Ausgangsleitung S1, den Hohlraumresonator cav und schließlich den Kollektor col, der die Elektronen auffängt. Die Wendel c wird über den Eingangskreis e durch irgendeinen Generator (Antenne usw.) erregt. Diese Wendel wirkt gleichzeitig als Steuer- und Gruppierungssystem, indem sie beide Wirkungen vereint: diejenige eines Steuerkreises für die Geschwindigkeit und diejenige für die Gruppierung in einem Raum, in welchem die Modulation der Geschwindigkeit in eine Modulation der Dichte verwandelt wird. Diese beiden Wirkungen werden, wie man weiß, durch die Wechselwirkung zwischen der fortschreitenden Welle und dem Elektronenbündel erreicht. Am Ende der Entladungsstrecke tritt das Bündel / in den Hohlraumresonator ein. Die Elektronen werden dort gebremst und geben ihre Energie an das Feld des Hohlraumes bzw. an die damit gekoppelte Belastung ab, ehe sie vom Kollektor col aufgefangen werden. Dieser Energiebetrag ist bedeutend größer als derjenige, welcher von den Elektronen auf die Welle bzw. den Wellenleiter einer Wanderfeldröhre übertragen wird. In dem zusätzlichen Hohlraum werden bei entsprechender Anpassung des Lastkreises die Elektronen stark abgebremst, während in den üblichen Wanderfeldröhren die Elektronen nur einen kleinen Anteil ihrer Energie verlieren, die ihnen durch das aufgedrückte Gleichstrompotential zugeführt war. Am Ende des Wellenleiters und verbunden mit dem Hohlraum befinden sich Ausgangskreise S1 und s2, die zur Belastung führen. Wie bereits gesagt, werden die in dem Hohlraum und gleichzeitig die am Ende des Wellenleiters verfügbaren Leistungen auf einmal nutzbar gemacht. Die beiden Ausgangskreise sind an eine Leitung oder eine gemeinsame Führung Ut geschaltet. Ein Phasenschieber d mit Verdrängerkolben ist in einer der Ausgangsleitungen S1 vorgesehen, um die Phasenlage der Schwingungen in den Ausgangskreisen in Übereinstimmung zu bringen.The Fig. Ι represents a special way of realizing the inventive idea. In ίο you can see the wave path tube t, the helix c of this tube, which serves as a waveguide, the electron bundle /, which carries the energy of the electrons emitted from the cathode k of the advancing wave exchanges, the input line e and the output line S 1 , the cavity resonator cav and finally the collector col, which collects the electrons. The coil c is excited via the input circuit e by some kind of generator (antenna, etc.). This helix acts simultaneously as a control and grouping system by combining both effects: that of a control circuit for the speed and that of the grouping in a space in which the modulation of the speed is transformed into a modulation of the density. Both of these effects are known to be achieved through the interaction between the advancing wave and the electron beam. At the end of the discharge path the bundle / enters the cavity resonator. The electrons are slowed down there and give their energy to the field of the cavity or to the load coupled with it, before they are caught by the collector col. This amount of energy is significantly greater than that which is transferred from the electrons to the wave or waveguide of a traveling wave tube. In the additional cavity, if the load circuit is adapted accordingly, the electrons are strongly decelerated, while in the usual traveling wave tubes the electrons only lose a small portion of their energy that was supplied to them by the imposed direct current potential. At the end of the waveguide and connected to the cavity there are output circles S 1 and S 2 , which lead to the load. As already said, the power available in the cavity and at the same time the power available at the end of the waveguide can be used all at once. The two output circuits are connected to a line or a common line Ut . A phase shifter d with a displacement piston is provided in one of the output lines S 1 in order to bring the phase position of the oscillations in the output circuits into agreement.

Die zusätzliche Verstärkung durch Hinzufügung des Hohlraumes ist groß, aber auch frequenzselektiv. Die Verstärkung bis zum Ausgang S1 ist gering und hat fast gleichen Wert in einem großen Frequenzbereich. Die Selektivität des Hohlraumes kann einen Vorteil ergeben, um ein enges Intervall eines weiten Bereiches des gemeinsamen Ausgangs auszusondern. Dieser Vorteil kann ausgenutzt werden z. B. bei Fernsehsendungen, um die Trägerwellen des Bildes und des Tones zu trennen. Es ist ersichtlich, daß die Vereinigung der beiden Ausgänge nicht notwendig ist. Man kann zwei getrennte Ausgänge vorsehen und nur einen von ihnen oder beide für denselben Zweck nutzbar machen.The additional gain by adding the cavity is large, but also frequency selective. The gain up to the output S 1 is low and has almost the same value in a large frequency range. The selectivity of the cavity can provide an advantage to weed out a narrow interval of a wide area of the common exit. This advantage can be used e.g. B. in television broadcasts to separate the carrier waves of the image and the sound. It can be seen that the union of the two outputs is not necessary. Two separate outputs can be provided and only one of them or both can be used for the same purpose.

Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht ausschließlich auf Vorrichtungen gemäß Abb. 1 beschränkt. Jede Anordnung, die eine Gruppierung der Elektronen in einem Bündel durch Wechselwirkung mit einer elektromagnetischen, fortschreitenden Welle bewirkt, ist anwendbar (dielektrische Verzögerungsleitungen usw.). Die Eingangs- und Ausgangskreise können offensichtlich auch durch Leitungen ersetzt werden. Die spezielle Form des Hohlraumresonators in der Zeichnung bedeutet keine Einschränkung.The application of the inventive concept is not limited to devices according to Fig. 1 limited. Any arrangement that is a grouping of electrons in a bundle through interaction caused by an electromagnetic, advancing wave, is applicable (dielectric Delay lines, etc.). The input and output circuits can obviously also go through Lines are replaced. The special shape of the cavity resonator in the drawing means no restriction.

In Übereinstimmung mit der Erfindung kann außerdem eine Rückkopplung zwischen Eingang und Ausgang der Röhre vorgesehen werden, die bis zur Selbsterregung gesteigert werden kann. Die Anwendung einer solchen Kopplung, um einen Schwingungserzeuger mit breiter Frequenzregulierung zu erhalten, indem in den Rückkopplungskanal von einer gewöhnlichen Wanderfeldröhre ein Hohlraumresonator zwischengeschaltet wird, ist an sich bekannt. In accordance with the invention there can also be a feedback between input and the output of the tube can be provided which can be increased to the point of self-excitation. The application such a coupling to a vibrator with wide frequency regulation obtained by interposing a cavity resonator in the feedback channel of an ordinary traveling wave tube is known per se.

Die Abb. 2 stellt eine Wanderfeldröhre nach der Erfindung dar, in der eine Kopplung zwischen Ein- und Ausgang vorgesehen ist, die mit Hilfe von Verdrängerkolben in Abzweigleitungen Λ" geregelt werden kann. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie in der Abb. 1 und bezeichnen dieselben Elemente, ebenso wie in den nachfolgenden Abbildungen.Fig. 2 shows a traveling wave tube according to the invention, in which a coupling between input and output is provided, which are regulated with the aid of displacement pistons in branch lines Λ " can. The reference numerals are the same as in Fig. 1 and denote the same elements, as well as in the following figures.

Die Abb. 3 stellt gleichfalls eine Wanderfeldröhre gemäß der Erfindung dar, bei der die Kopplung zwischen Ein- und Ausgang über einen zwischengeschalteten abgestimmten Hohlraum cav vorgenommen ist. Wird dabei die Belastung mit dem Hohlraum cav gekoppelt, so werden die Eigenschaften des Wellenleitersystems durch die Eigenschaften des Belastungskreises nicht beeinflußt. Die Kopplung zwischen Hohlraum cav und dem Wellenleiter c ist gering, da sie ausschließlich durch das Elektronenbündel erfolgt und nicht durch Impedanzen. Die Schaltung nach Abb. 3 stellt einen Schwingungserzeuger dar, der ähnlich ist einem Schwingungserzeuger mit an sich bekannter Elektronen- no kopplung für weniger hohe Frequenzen. Er besitzt alle Vorteile desselben in bezug auf die Unabhängigkeit der Frequenz für den Belastungskreis und seine Kopplung.Fig. 3 also shows a traveling wave tube according to the invention, in which the coupling between input and output is made via an interposed, matched cavity cav . If the load is coupled with the cavity cav , the properties of the waveguide system are not influenced by the properties of the load circuit. The coupling between the cavity cav and the waveguide c is low, since it occurs exclusively through the electron beam and not through impedances. The circuit according to Fig. 3 represents a vibration generator that is similar to a vibration generator with known electron no coupling for less high frequencies. It has all the advantages of the same in terms of frequency independence for the load circuit and its coupling.

Die Abb. 4 stellt noch eine andere Art der Ausführung des Erfindungsgedankens dar. In diesem Falle ist die gesamte auf den Hohlraumresonator übertragene Leistung auf die Rückkopplung zwischen Eingang des Wellenleiters oder Verzögerungsleitung zurückzuführen. Es ist in der Tat erforderlich, daß die fortschreitende Welle große Amplituden besitzt, um eine gute Gruppierung der Elektronen zu erhalten trotz der Wirkung der Raumladung. Die Leistung, die auf den Verbraucher Ut, z. B. einen Strahlungstrichter, wirkt, wird am Ausgang der Verzögerungsleitung abgenommen.Figure 4 illustrates yet another way of carrying out the inventive idea. In this case all of the power transmitted to the cavity is due to the feedback between the input of the waveguide or delay line. Indeed, it is necessary that the traveling wave have large amplitudes in order to obtain good grouping of the electrons in spite of the effect of the space charge. The performance on the consumer Ut, z. B. a radiation funnel acts, is removed at the output of the delay line.

Die Mittel zur Anpassung insbesondere um die Amplitude und die Phase, angepaßt an die des Hohlraumes cav, zu erhalten, sind schematisch durch die Kolben P1, P2, P3 dargestellt. Man erhält so als Vorteil gegenüber den vorherigen Ausführungsformen eine gute Gruppierung der Elektronen infolge der großen elektrischen Feldstärke an dem Wellenleiter und eine dementsprechende Verstärkung. The means for adapting, in particular to obtain the amplitude and the phase, adapted to that of the cavity cav , are shown schematically by the pistons P 1 , P 2 , P 3 . The advantage over the previous embodiments is that the electrons are grouped well as a result of the large electric field strength on the waveguide and that the corresponding amplification is achieved.

ίο Alle Ausführungsformen, die beschrieben sind, bieten in allen Fällen einen bestimmten Vorteil im Vergleich mit den normalen Wanderfeldröhren, und zwar in bezug auf die Erhöhung des Wirkungsgrades. Werden sie mit Laufzeitröhren von der Gattung des Klystron verglichen, so haben sie außerdem die folgenden beiden wichtigen Vorteile: Zuerst ist das Grundgeräusch bedeutend schwächer. Dieser Effekt rührt von der wiederholten Wechselwirkung und Verstärkung zwischen dem Steuerfeld und den Elektronen her und von der Abwesenheit eines selektiven Schwingkreises und einer hohen Spannung am Eingang. Der Vorteil ist besonders wichtig bei der Anwendung auf Verstärkerschaltungen. ίο All embodiments that are described offer in all cases a certain advantage compared to normal traveling wave tubes, and although in terms of increasing the efficiency. Are they using runtime tubes from the Compared to the genus of klystron, they also have the following two important advantages: At first, the background noise is significantly weaker. This effect stems from the repetitive Interaction and amplification between the control field and the electrons and from their absence a selective resonant circuit and a high voltage at the input. The advantage is special important when applied to amplifier circuits.

13er zweite Vorteil rührt daher, daß der Wellenleiter eine große Frequenzbandbreite besitzt, etwa eine halbe Oktave oder mehr. Infolgedessen genügt es bei einem breiten Band, den Ausgangskreis, d. h. den Hohlraum, abzustimmen. Man kann infolgedessen die Schaltung in einem Verstärker für Störradar gebrauchen. Man kann die Welle, die gestört werden soll, empfangen und sehr schnell abgestimmt verstärken, weil nur ein Kreis (der Hohlraum) angepaßt werden muß. Hat man die Welle gefunden, so wird die Dichte des Bündels durch die Störungen moduliert, die über ein Gitter g zugeführt werden, das zwischen Kathode k und Steuerraum geschaltet wird (s. Abb. 1).The second advantage arises from the fact that the waveguide has a large frequency bandwidth, about half an octave or more. As a result, in the case of a wide band, it is sufficient to tune the output circle, ie the cavity. As a result, the circuit can be used in an amplifier for jamming radar. The wave that is to be disturbed can be received and tuned very quickly, because only one circle (the cavity) needs to be adjusted. Once the wave has been found, the density of the bundle is modulated by the disturbances that are fed in via a grid g that is connected between the cathode k and the control room (see Fig. 1).

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: i. UKW-Verstärker unter Verwendung einer Wanderfeldröhre, bei der die Steuerschwingungen auf den Anfang einer Verzögerungsleitung gegeben werden und die verstärkten Schwingungen am Ende dieser Leitung abgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ende der Verzögerungsleitung und dem darauf folgenden Kollektor zwei durchbrochene Elektroden (Auskoppelgitter) eingefügt sind, die Teile eines allseitig geschlossenen Hohlraumresonators bilden und daß von diesem Hohlraumresonator ebenfalls Schwingungen für den Ausgangskreis und/oder für den Steuerkreis der Röhre entnommen werden.i. VHF amplifier using a traveling wave tube in which the control oscillations on the beginning of a delay line and the amplified vibrations are removed at the end of this line, characterized in that between the end of the delay line and the the following collector two perforated electrodes (decoupling grid) are inserted, form the parts of an all-round closed cavity resonator and that of this Cavity resonator also oscillations for the output circuit and / or for the control circuit removed from the tube. 2. UKW-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur gegenseitigen Kopplung der Ausgangskreise der Verzögerungsleitung und des Hohlraumresonators und Mittel zur Anpassung der Phasenlage der Schwingungen vorgesehen sind und daß die Schwingungen beider Ausgangskreise einem Verbraucher und/oder dem Eingangskreis der Röhre zugeführt werden.2. VHF amplifier according to claim 1, characterized characterized in that means for mutually coupling the output circuits of the delay line and the cavity resonator and means for adjusting the phase position of the oscillations are provided and that the Oscillations of both output circuits a consumer and / or the input circuit of the Tube are fed. 3. UKW-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ende der Verzögerungsleitung abgenommenen Schwingungen unter Zwischenschaltung eines Resonanzhohlraumes (K) zum Anfang der Steuerleitung zurückgeführt werden und daß der Verbraucher ausschließlich mit den vom ausgangsseitigen Hohlraum (cav) abgenommenen Schwingungen gespeist wird.3. VHF amplifier according to claim 1, characterized in that the vibrations picked up from the end of the delay line with the interposition of a resonance cavity (K) are fed back to the beginning of the control line and that the consumer is fed exclusively with the vibrations picked up from the output-side cavity (cav) . 4. UKW-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ende der Verzögerungsleitung abgenommenen Schwingungen dem Verbraucher (Strahler) zugeführt werden und die vom ausgangsseitigen Hohlraum (cav) abgenommenen Schwingungen ausschließlich dem Anfang der Verzögerungsleitung zugeführt werden. 4. VHF amplifier according to claim 1, characterized in that the vibrations picked up from the end of the delay line are fed to the consumer (radiator) and the vibrations picked up from the cavity (cav) on the output side are fed exclusively to the beginning of the delay line. 5. UKW-Verstärker nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsleitungen für die Schwingungen Hohlrohrleitungen verwendet werden und daß zur Anpassung der Leitungen bzw. Abstimmung der Leitungsabschnitte besondere Abzweigleitungen mit Verdrängerkolben benutzt werden.5. VHF amplifier according to claim 2, 3 or 4, characterized in that hollow pipes are used as guide lines for the vibrations are used and that for adapting the lines or matching the line sections special branch lines with displacement pistons are used. 6. UKW-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsleitung eine Wendel vorgesehen ist.6. VHF amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that that a helix is provided as a delay line. 7. UKW-Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker zum Zwecke der Schwingungserzeugung im Zustand der Selbsterregung betrieben wird.7. VHF amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that that the amplifier is in a state of self-excitation for the purpose of generating vibrations is operated. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings Si32Si32
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