-
Schaltung mit einer Entladungsröhre zur Erzeugung oder Ubertragung
von elektrischen Schwingungen sehr hoher Frequenz Die Erfindung betrifft eine Schaltung
mit einer Entladungsröhre zur Übertragung oder Erzeugung von elektrischen Schwingungen
sehr hoher Frequenz, insbesondere vom HO-Typ.
-
Es wurde festgestellt, daß die Übertragung oder Erzeugung von Schwingungen
sehr hoher Frequenz mit üblichen Entladungsröhren schwierig wird, wenn die Wellenlänge
mit den Abmessungen der verwendeten Entladungsröhren vergleichbar ist. Um Schwingungen
mit so kleiner Wellenlänge noch übertragen oder erzeugen zu können, wurden bislang
die Abmessungen der Entladungsröhren selbst auch immer kleiner gewählt. Dabei geht
aber vor allem infolge der Verkleinerung der Kathodenoberfläche die von der Entladungsröhre
abzugebende Leistung und damit die Hochfrequenzleistung auf nutzlos kleine Werte
zurück.
-
Die Erfindung schafft nun Mittel zur Übertragung oder Erzeugung von
elektrischen Schwingungen sehr hoher Frequenz mittels einer Entladungsröhre, deren
Abmessungen mit der Wellenlänge der Schwingungen vergleichbar sein können; die Elektroden
dieser Röhre, insbesondere die Kathode, können sogar im Vergleich zu den Elektroden
der früher verwendeten Entladungsröhren sehr groß gewählt werden, so daß es grundsätzlich
möglich ist, Schwingungen mit jeder gewünschten Leistung zu übertragen oder zu erzeugen.
Erfindungsgemäß
erfolgt die Erzeugung oder Übertragung der Schwingungen unter Anwendung -einer Entladungsröhre
mit einem Elektrodensystem, das die Form eines oder mehrerer hohler Wellenleiter
hat und dessen Abmessung senkrecht zur Schwingungsfortpflanzung in den Wellenleitern
und zur Richtung des Elektronenstromes größer ist als die Hälfte derjenigen Wellenlänge,
die die erwähnten Schwingungen bei Fortpflanzung im freien Raum besitzen. Die Elektroden
bilden daher einen Teil der hohlen Wellenleiter, oder sie bilden im ganzen die Begrenzung
derselben. Wenn das Elektrodensystem aus einem oder mehreren abgeschlossenen hohlen
Wellenleitern besteht, so wird die Länge des Elektrodensystems, in der Fortpflanzungsrichtung
der Schwingtangen gemessen, vorzugsweise kleiner gewählt als die Hälfte der Wellenlänge,
welche die erwähnten Schwingungen bei Fortpflanzung innerhalb dieser hohlen Wellenleiter
aufweisen.
-
Besteht das Elektrodensystem dagegen aus einem oder mehreren nicht
abgeschlossenen hohlen Wellenleitern, so wird die Länge des Elektrodensystems in
der Fortpflanzungsrichtung der Schwingungen gemessen, vorzugsweise kleiner gewählt
als ein Viertel der Wellenlänge, welche die erwähnten Schwingungen bei Fortpflanzung
innerhalb dieser hohlen Wellenleiter besitzen.
-
Eine besonders gute Wirkung wird erzielt, wenn die zu übertragenden
oder zu erzeugenden Schwingungen vom sogenannten H,-Typ sind, d. h. Schwingungen,
deren elektrische Kraft E keine Komponente in der Fortpflanzungsrichtung besitzt;
ferner ist es häufig günstig, daß die Richtung der elektrischen Kraft die gleiche
ist wie die des Elektronenstromes in ddr Entladungsröhre.
-
Es wurden» bereits früher Schaltungen vorgeschlagen, bei denen elektrische
Schwingungen mittels Entladungsröhren übertragen werden, die in hohlen Wellenleitern
angeordnet sind. Bei diesen bekannten Schaltungen sind aber die Elektrodensysteme
selbst nicht in Form von hohlen Wellenleitern ausgebildet, so daß die Vorteile der
vorliegenden Erfindung nicht auftreten.
-
.Zur Erzeugung elektrischer Schwingungen nach der Erfindung läßt sich
auch eine Magnetronröhre verwenden. Das Elektrodensystem der Magnetronröhre besteht
dann vorzugsweise aus zwei konzentrischen, zylinderförmigen Mänteln, von denen der
Innere als Kathode und der Äußere als Anode dient.
-
Die Kathode kann zweckmäßig als ein mit Öffnungen versehener :Zylinder;
beispielsweise aus Drahtgewebe; ausgebildet werden, in dem ein oder mehrere Glühfäden
angeordnet sind.
-
Der hohle Wellenleiter kann an seinem Ende offen oder geschlossen
sein. Die Länge des Wellenleiters wird vorzugsweise unter Berücksichtigung der oben
angegebenen Vorschriften ermittelt.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
-
In Fig. z ist schematisch eine Verstärkerschaltung nach der Erfindung
dargestellt, bei der als Entladungsröhre eine Triode verwendet wird: Die zu verstärkenden
Schwingungen werden über eine Lecherleiturig r einer Triode 2 zugeführt, während
die verstärkten Schwingungen mittels einer Lecherleitung 3 dieser Röhre entnommen
werden. Die Triode enthält ein Elektrodensystem, welches aus einer Anode q., einem
Steuergitter 5 und einer Kathode 6 besteht und in Form von zwei hohlen Wellenleitern
ausgebildet ist, von denen der obere durch die Anode q. und das Steuergitter 5 und
der untere durch das Steuergitter 5 und die Kathode 6 begrenzt wird.
-
Der Pfeil X deutet die Richtung an, in der sich die Schwingungen in
den hohlen Wellenleitern fortpflanzen, während ein Pfeil Z die Richtung des Elektronenstroms
in der Entladungsröhre andeutet; die Richtung senkrecht zu der X-Richtung und der
Z-Richtung ist mit einem Pfeil Y angedeutet: Die senkrecht zum Elektronenstrom und
zur Wellenfortpflanzung gemessene Breite b ist erfindungsgemäß größer als die Hälfte
der Wellenlänge, welche die zu verstärkenden Schwingungen bei Fortpflanzung im freien
Raum besitzen. Bei kleineren Werten von b findet keine Fortpflanzung von Energie
im Wellenleiter statt. Diese Wellenlänge %, im freien Raum ist von der Wellenlänge
A." zu unterscheiden, welche die Schwingungen bei Fortpflanzung innerhalb des Wellenleiters
selbst aufweisen. Es besteht folgende Beziehung zwischen beiden:
Aus dieser Beziehung folgt vor allem, daß der Wert von A" immer größer ist als von
A. und daß A, nur Bedeutung zukommt, solange A kleiner ist als :2b. Wenn A, nur
wenig kleiner ist als a b, kann dieser Wert sogar sehr viel größer als A,
sein. Das wird zweckmäßig bei der Bemessung der Länge L des Elektrodensystems benutzt.
-
In der Längsrichtung des Elektrodensystems wird, infolge der Reflexion
der Schwingungen an der Rückseite des Wellenleiters, zwischen dem Gitter und der
Kathode eine stehende Welle auftreten. Je nachdem der Wellenleiter geschlossen oder
offen ist, bildet sich eine stehende Welle, welche an der Rückseite einen Knoten
oder einen Bauch aufweist. In den Fig. 2 und 3 ist ein Querschnitt- des Elektrodensysteins
dargestellt; seine Länge l ist genau gleich A,x gewählt, wobei die Fig. a
den Fall zeigt, in dem die Wellenleiter geschlossen sind und Fig. 3 den Fall, in
dem sie offen sind. Im folgenden wird nur vom unteren Wellenleiter gesprochen, im
oberen Wellenleiter treten zwischen der Anode und dem Steuergitter gleichfalls stehende
Wellen auf; für die ähnliches gilt. Die Kurve 7 in Fig. 2 und die Kurve 8 in Fig.
3 zeigen den Verlauf der zu verstärkenden Wechselspannung, d. h. also der Spannung
zwischen Gitter und Kathode, als Funktion der X-Koordinate beispielsweise über die
Mitte der Röhre, also in der Ebene Y = 1@2 b gemessen.
-
Aus dem Verlauf der Spannung in Fig. z ergibt sich, daß der Elektronenstrom
über die ganze Länge der Kathode von dieser Spannung in gleichem Sinn beeinflußt
wird. Alle Punkte der Kathode tragen daher gleichphasig zur Verstärkung bei. `
Dies
gilt aber nicht für den Fall der Fig. 3. Hier wird der Elektronenstrom zu beiden
Seiten des in der Mitte der Kathode befindlichen Punktes P durch die Spannung gerade
in Gegenphase gesteuert, so daß die Gesamtverstärkung der Röhre praktisch zu Null
herabgesetzt wird. Hieraus folgt, daß, will man eine möglichst große Verstärkung
erzielen, die Länge des Elektrodensystems im Fall des nicht geschlossenen Wellenleiters
vorzugsweise nicht größer als 1/, A., gewählt werden muß; dann erstreckt sich die
Kathode nur vom Ende bis zum Punkt P, so daß der ganze Elektronenstrom der Röhre
in Phase gesteuert wird. Im Fall eines geschlossenen Wellenleiters läßt sich aus
dem Vorhergehenden sofort ableiten, daß die Länge des Elektrodensystems vorzugsweise
nicht größer als 1/. Ax gewählt werden soll.
-
Die oben beschriebene Entladungsröhre besitzt demnach Abmessungen,
welche bei Zunahme der Frequenz der zu verstärkenden Schwingungen nicht stets herabgesetzt
zu werden brauchen. Die Querabmessung b der Röhre soll ja größer sein als A. im
freien Raum, und für die Abmessung in der Längsrichtung läßt sich dadurch ein für
die Praxis zweckmäßiger Wert finden, da das Verhältnis A/2 b geeignet gewählt
werden kann wegen der Beziehung zwischen A,", A. und b.
-
Aus dem einen und dem anderen ergibt sich, daß die erfindungsgemäße
Entladungsröhre trotz ihrer verhältnismäßig großen Abmessungen Schwingungen von
sehr hoher Frequenz verstärken kann und dabei, gerade infolge dieser großen Abmessungen,
insbesondere der großen Abmessungen der emittierenden Oberfläche, grundsätzlich
jede gewünschte Leistung abzugeben oder zu, übertragen vermag.
-
Wegen der verschiedenen nötigen Gleichspannungen müssen die Elektroden
voneinander isoliert sein. Abgesehen davon können die Seiten des hohlen Wellenleiters,
d. h. die Seiten an der Stelle Y = o und l' - b, eine geschlossene Bauart aufweisen,
und die Elektroden können an diesen Stellen nötigenfalls miteinander kapazitiv gekoppelt
werden. Die Gleichstromquellen sind in den Figuren einfachheitshalber weggelassen.
-
Die Zufuhr und die Abnahme der Schwingungen erfolgt bei der Schaltung
nach Fig. z mit Hilfe einer Lecherleitung.
-
Dies kann natürlich auch auf andere Weise geschehen, beispielsweise
mittels hohler Wellenleiter oder mittels konzentrischer Lechersysteme. Es ist auch
nicht notwendig, daß die Spannungen an gegenüberliegenden Enden der Entladungsröhre
zugeführt und abgenommen werden; die Zufuhr- und Abnahmestellen können auch unter
beliebigen Winkeln zueinander vorgesehen werden.
-
Eine Ausführungsform der Schaltung nach Fig. z, bei der das Elektrodensystem
der Triode eine zylindrische Form aufweist, ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.
Die Querabmessung b der Triode 2 wird hier durch den mittleren Umfang der Röhre,
also beispielsweise durch den Umfang des Steuergitters 5, bedingt.
-
In Fig. 5 ist die gleiche Triode dargestellt; die zu verstärkenden
Spannungen und die verstärkte Spannung werden der Triode zugeführt bzw. entnommen
mit Hilfe von konzentrischen Lechersystemen, welche allmählich in die hohlen Wellenleiter
übergehen. Die Kopplung zwischen den beiden Lechersystemen und der Triode kann beispielsweise
über Kapazitäten erfolgen. Diese Kapazitäten sowie die Gleichstromquellen sind in
Fig. 5 weggelassen. Die Abmessung der hohlen Wellenleiter in Richtung des Elektronenstromes
der Entladungsröhre ist in der Regel klein in bezug auf die übrigen Abmessungen
der Wellenleiter. Diese Abmessung wird vorwiegend durch die Laufzeiten der Elektronen
in der Röhre bedingt.
-
In jenen Fällen, in denen die Längsabmessung des Elektrodensystems
der Entladungsröhre größer gewählt wird als die oben angegebenen Bedingungen angeben,
lassen sich zweckmäßig diejenigen Teile der Elektroden unwirksam machen, welche
die Übertragung und/oder die Erzeugung der Schwingungen nachteilig beeinflussen,
oder die Wellenleiter lassen sich mit ihren Wellenwiderständen oder mit geeigneten
verlustfreien Impedanzen abschließen.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Bremsfeldschaltungen
sowie auf Schaltungen mit Frequenztransformation. Die erfindungsg emäße Schaltung
ist nicht auf die Verwendung von Trioden beschränkt; auch Dioden, Tetroden, Pentoden,
ja wie gesagt auch Magnetrons sind verwendbar.
-
In Fig. 6 ist das Elektrodensystem einer erfindungsgemäßen Magnetronröhre
dargestellt. Dieses System besteht aus einem hohlen Wellenleiter, der von zwei konzentrischen
zylinderförmigen Mänteln, einer Anode q. und einer Kathode 6, gebildet wird. Im
Raum zwischen den beiden- Mänteln ist eine sich axial erstreckende Metalltrennungswand
9 angeordnet, welche aus einer Anzahl Verbindungsspeichen des Innen- und Außenmantels
besteht.
-
Erfindungsgemäß muß die in der Figur dargestellte Abmessung b größer
als A, im freien Raum sein, und sie entspricht der Breite b in Fig. z (senkrecht
zu der Fortpflanzungsrichtung der Wellen und zur Elektronenströmung).
-
Die Länge l des Elektrodensystems wird durch die Wellenlänge (Ax)
im Innern des Wellenleiters bestimmt sowie durch den Abschluß der Wellenleiter am
Ende (abgeschlossen oder offen).
-
Wie oben, muß auch hier bei einem abgeschlossenen hohlen Wellenleiter
die Länge 1:5 1/z A" sein. Bei einem nicht abgeschlossenen hohlen Wellenleiter dagegen
muß 1::9 1/,3 A2 gewählt werden.
-
Auch diese erfindungsgemäße Entladungsröhre kann daher trotz ihrer
verhältnismäßig großen Abmessungen doch Schwingungen sehr hoher Frequenz erzeugen
und dabei, gerade infolge dieser großen Abmessungen, insbesondere infolge der großen
Abmessungen der emittierenden Oberfläche, grundsätzlich jede gewünschte Leistung
abgeben.
-
Um die Magnetronröhre schwingen zu lassen, ist die obenerwähnte Metalltrennungswand
3 nicht immer erforderlich, aber oft günstig, da durch sie die Schwingungsweise
festgelegt wird. An der Stelle der Trennungswand bildet sich nämlich ein Strombauch,
so daß sich in der Nähe dieser Wand die Energie zweckmäßig auf magnetischem Wege
abnehmen läßt. Eine elektrische Energieabnahme im Spannungsbauch ist
z:
B. an einer um go° gegen die Trennungswand versetzten Stelle möglich.
-
In Fig. 7 ist ein Querschnitt des Elektrodensystems dargestellt. Die
Kathode besteht aus einer Elektrode 6' aus Gaze, welche als Sauggitter wirkt und
in der eine Anzahl Glühfäden 6" angeordnet sind. Die Glühfäden erstrecken sich in
der Figur in axialer Richtung. Man kann aber auch z. B. einen spiralförmigen Glühfaden
verwenden.
-
Der Durchmesser des hohlen Wellenleiters ist nicht. an bestimmte Abmessungen
gebunden; er beträgt günstig weniger als ein Viertel der Wellenlänge.
-
Durch geeignete Wahl der Vorspannungen an den Elektroden und der Stärke
des axial oder nahezu axial gerichteten magnetischen Feldes läßt sich die Elektronenlaufzeit
über einen Umlauf so einstellen, daß Schwingungen vom HO-Typ erzeugt werden.
-
Das elektrische Feld einer erfindungsgemäßen Magnetronröhre ähnelt
dem Feld des bekannten Magnetrons mit geschlitzter Anode: