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Elektronenröhre zum Anfachen, insbesondere Verstärken, Erzeugen oder
Empfangen von ultrahochfrequenten, elektromagnetischen Schwingungen Die Erfindung
betrifft Elektronenröhren zum Anfachen, d. h. Erzeugen, Verstärken oder Empfangen
von hochfrequenten elektromagnetischen Schwingungen, insbesondere von Schwingungen
mit Wellenlängen unter xo m.
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Die wesentlichsten Bestandteile solcher Ultrakurzwellenröhren sind
das anfachende Elektrodensystem, damit in Verbindung der frequenzbestimmende Resonator
und die mit dem frequenzbestimmenden Resonator gekoppelte Antenne. Bei geeignet
gewählter Schaltung, z. B. Rückkopplungsschaltung, Bremsfeldschaltungoder Magnetronschaltung,
kann durch eine zwischen dem Elektrodensy stem übergehende Elektronenströmung die
Dämpfung des Resonators vermindert bzw. der Resonator zum Selbstschwingen angefacht
werden.
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Als Resonatoren werden sowohl Schwingkreise mit getrennter Selbstinduktion
und Kapazität als auch solche mit über die Leiter mehr oder weniger gleichmäßig
verteilter Selbstinduktion und Kapazität verwendet. Ferner sind auch Schwingungskreise
für Ultrakurzwellen bekannt, die-aus einer Drahtwendel (Gitterwendel) bestehen,
wobei die Enden der Wendel miteinander verbunden sind. Insbesondere ist es auch
bekannt, als Schwingungskreis eine derartige Gitterwendel zu verwenden und den hochfrequenzmäßigen
Kurzschluß der Enden dieser Gitterwendel nicht durch einen Drahtbügel, sondern durch
den Anodenzylinder
zu bewirken. In -diesem Falle sind die Enden
der Gitterwendel mit dem Anodenzylinder durch Kurzschlußkondensatoren für die Hochfrequenz
miteinander verbunden.
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Bestehen die Schwingungskreise 'aus getrennter Selbstinduktion und
Kapazität, so wurde bei bisher bekannten Ultrakurzwellenröhren oft ein einfacher
Drahtkreis als Selbstinduktion und die Kapazität zwischen den Elektroden als Schwingkreiskapazität
verwendet. Wurde mit über die Leiter mehr oder weniger gleichmäßig verteilter Selbstinduktion
und Kapazität gearbeitet, so wurden beispielsweise parallele Leiter, sogenannte
Lecherdrähte zur Bildung des Resonators benutzt, welche an einem Spannungsbauch
die zur Anregung notwendigen Elektroden tragen. Für die mit einem solchen Resonator
zu erreichende Schwingleistung ist der Wert
maßgebend, wobei L die Selbstinduktion, C die Kapazität und R der gesamte Dämpfungswiderstand,
über den der Schwingstrom fließt, bedeuten. Bei einem Resonator mit über die Leiter
gleichmäßig verteilter Kapazität und Selbstinduktion sind für L und C Selbstinduktion
und Kapazität pro Zentimeter einzusetzen. Der Wert
wird auch als Wellenwiderstand W bezeichnet, so daß statt
auch
geschrieben werden kann. Bei den bekannten bei Ultrakurzwellenröhren verwendeten
Resonatoren ist der Wert von
bzw. von
wesentlich kleiner als bei den in der IIochfrequenztechnik verwendeten Resonanzkreisen.
Die Ursache liegt darin, daß bei den bisher konstruierten ultrakurzwelligen Resonatoren
die Werte von C und R im Verhältnis zu der schon sehr kleinen Selbstinduktion L
nicht klein gemacht werden können. Insbesondere wird der Wert R, der sich aus dem
Ohmschen Widerstand, dem Ableitungswiderstand und dem Strahlungswiderstand zusammensetzt,
vor allem wegen der mit wachsender Frequenz anwachsenden Strahlungsverluste des
Resonators sehr groß. Infolge dieser großen Verluste am Resonator bleiben die zur
Steuerung der Elektronenströmung vorhandenen Spannungsamplituden an den Elektroden
der Röhre klein im Vergleich zu den angelegten Gleichspannungen, so daß die Röhre
nur mit einem geringen Wirkungsgrad arbeitet.
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Es ist bereits vorgeschlagen - worden, einen Resonator für ultrakurze
Welle als einen mindestens bis auf schmale Spalte allseitig von flächenförmigen
Leitern begrenzten Hohlraum auszubilden und Strahlungsverluste zu vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Elektronenröhre zum Anfachen, insbesondere Verstärken,
Erzeugen oder Empfangen von ultrahochfrequenten elektromagnetischen Schwingungen
mit einem von metallischen Flächenumgrenzten, gegen Verluststrahlung abgeschlossenen
Hohlraum als Resonator ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der den Resonator
begrenzenden elektrisch leitenden Flächen voneinander an den Stellen, wo dieselben
als Elektroden wirken, kleiner als der Abstand der Leiterteile voneinander ist,
die sich an die als Elektroden wirkenden Flächen anschließen.
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Durch diese Maßnahme erhält man einen genügend kleinen Elektrodenabstand,
was zur Erzielung geringer Betriebsspannungen und einer guten Anfachung vorteilhaft
ist. Ferner wird das Verhältnis
groß und infolgedessen die Eigendämpfung des Resonators sehr klein. Eine besonders
günstige Ausführungsform ergibt sich bei der an Hand der Abb. i und 2 noch näher
erläuterten torusförmigen Ausbildung des Abschnittes.
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Eine weitere Verringerung der Verluste kann ferner dadurch erzielt
werden, daß der als Resonator dienende Hohlraum allseitig von elektrisch gut leitenden,
vorzugsweise versilberten oder verkupferten Oberflächen umgeben ist. Die Leitfähigkeit
dieser Flächen kann durch Hochglanzpolieren weiter verbessert werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Wahl der Ankopplung
eines Belastungswiderstandes, z. B. einer Antenne an den als Resonator dienenden
Hohlraum. Versuche und theoretische Überlegungen haben ergeben, daß bei den bekannten
Schaltungen zur Anfachung ultrahochfrequenter Schwingungen, vor allem wegen der
geringen Steilheit der Steuercharakteristik S' der Röhren nur ein kleiner Belastungswiderstand
an dem Resonator angeschlossen werden darf. Es hat sich gezeigt, daß bei günstigster
Anpassung des Belastungswiderstandes an den Resonator der Wert bzw. mit einem Wert
vergleichbar sein
muß, wobei
S das Verhältnis des durch den Steuermechanismus erhaltenen Wechselstromes zu der
an den Elektroden wirksamen Resonatorwechselspannung und lt eine von den
Elektrodenabmessungen und den Betriebsbedingungen abhängige, von dem Wert i wenig
verschiedene Größe darstellt. Da man mit Rücksicht auf die Abstände und Abmessungen
der Elektroden die Kapazität C des Resonators nicht sehr klein bzw. dem Wellenwiderstand
W nicht sehr groß wählen kann, muß der Belastungswiderstand so klein gewählt werden,
daß der Wert
größenordnungsmäßig mit dem Wert
übereinstimmt. Es ist daher eine sehr lose Kopplung zwischen Resonator und Belastungswiderstand
erforderlich. Diese lose Kopplung kann mit einer Energieleitung mit kleinem Wellenwiderstand
erreicht werden. Vorteilhaft wird eine aus zwei koaxialen Leitern bestehende Energieleitung
benutzt, bei welcher keine Strahlungsverluste auftreten. Wird eine Energieleitung
verwendet, deren Länge mit der Viertelwellenlänge der anzufachenden Schwingung ungefähr
übereinstimmt, und wird diese im Spannungsknoten an den Resonator angeschlossen,
so tritt im Leerlauf an dem freien Ende eine Spannung auf, welche im Verhältnis
der Wellenwiderstände von Energieleitung und Resonator kleiner ist als die maximale
Wechselspannungsamplitude im Resonator.
Ein an dem freien Ende der
Energieleitung angekoppelter Belastungswiderstand stellt dann für den Resonator
einen Dämpfungswiderstand dar, der im Verhältnis der Quadrate der Wellenwiderstände
von Energieleitung und Resonator kleiner ist als der Belastungswiderstand. Man hat
es also dadurch, daß der die Energieleitung darstellende spaltförmige Raum genügend
klein gemacht wird, also einen genügend kleinen Wellenwiderstand darstellt, absolut
sicher in der Hand, den Belastungswiderstand, insbesondere den Strahler, so lose,
wie es gewünscht wird, an den Hohlraum anzukoppeln.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der konstruktiven
Verbindung der für die Anfachung notwendigen Elektroden mit den den Hohlraumresonator
begrenzenden Metallwänden. Da zur Anfachung eines Resonators mindestens zwei Elektroden
erforderlich sind, welche auf verschiedenen Gleichspannungen gehalten werden müssen,
wird der den Resonatorraum begrenzende Hohlkörper mit metallisch leitenden Wänden
aus mindestens zwei gegeneinander isolierten Teilen hergestellt. An geeigneter Stelle
werden die Metallwände dann als Elektroden ausgebildet.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in den Abb. i bis 3 a dargestellt.
Die Abb. i zeigt schematisch und im Schnitt einen aus zwei Schalen zusammengesetzten,
im wesentlichen als hohler Torus ausgebildeten Resonator.
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In Abb. 2 sind zwei derartige torusförmige Schwinggebilde zu einem
Resonator zusammengesetzt.
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Die Abb. 3 und 3 a zeigen im Längs- bzw. im Querschnitt eine vollständige
Elektronenröhre mit einem Resonator entsprechend der Abb. 2.
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Ein besonders einfacher dämpfungsfreier.Hohlraumresonator mit verhältnismäßig
hohem Wellenwiderstand ist in Abb. i dargestellt. Er besteht aus dem Zylinderkondensator:[
und der einlagigen Toroidspule 2 als Selbstinduktion, welche durch den als Kurzschluß
für .die Ultrahochfrequenz dienenden Zylinderkondensator 3 unterteilt ist. Die beiden
Zylinder des Kondensators i sollen die Elektroden enthalten. Da der Abstand der
Elektroden im allgemeinen mit Rücksicht auf den Elektronenmechanismus zu wählen
ist und nicht derart eng gehalten werden kann, wie dies bei dem Kondensator 3 möglich
ist, empfiehlt es sich, zur Vermeidung der am offenen Ende der Elektroden auftretenden
Verluststrahlung zwei Elemente entsprechend Abb. i zu einer Anordnung nach Abb.2
symmetrisch zusammenzusetzen. Die durch den Zylinderkondensator i' gegebene Elektrodenkapazität
schließt dann auf jeder Seite symmetrisch an eine einlagige Toroidspule 2 bzw. 2'
an, die mit Rücksicht auf die Gleichspannung zwischen den Elektroden je durch einen
Kondensator3 bzw. 3' geteilt ist. Bei solchen Anordnungen kann im Gegensätz zu einer
konzentrischen Lecherleitung die Kapazität des Schwingkreises auf ein Minimum, nämlich
das durch die Elektrodenoberflächen verlangte Minimum beschränkt werden. Die dem
Kondensator i' diametral gegenüberliegenden Teile der einlagigen Toroidspule können
vernachlässigt werden. Die beiden Schalen des Toroides wirken praktisch wie eine
Induktivität, deren magnetischer Fluß als ein Ringfluß die in den Abb. i und 2 dargestellten
Querschnitte durchläuft. Die Verluststrahlung an den freien Enden der Kondensatoren
3 und 3' kann praktisch vernachlässigt werden. Gegenüber einer konzentrischen Lecherleitung
hat die Anordnung den Vorteil, daß sie in axialer Richtung kürzer ausgebildet werden
kann. Bei einer Lecherleitung wäre die Länge s in Abb. i bzw. Abb. 2 gleich 1/4
der Wellenlänge zu wählen, während bei Anordnungen entsprechend Abb. i und 2 die
Länge s wesentlich kürzer als der Wellenlänge gewählt werden kann.
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Die Abb. 3 und 3 a zeigen eine Elektronenröhre mit einem Hohlraumresonator
entsprechend der Abb.2 im Schnitt und in einer Seitenansicht in Richtung der Achse.
-In der Mitte der rotationssymmetrischen Anordnung ist eine Kathode q. in Form eines
haarnadelförmigen Glühdrahtes zwischen den zwei Bolzen 5 und 5' ausgespannt. Glühkathode
und Bolzen sind konzentrisch von einem Metallrohr 6 umgeben, das in seinem mittleren
Teil mit einem Gitter 7 aus parallel zur Achse verlaufenden Stäben versehen ist.
Das Metallrohr 6 ist selbst wieder von einem rotationssymmetrischen Metallkörper
umgeben, dessen Teil 8 als Elektrode und Kondensator und dessen Teile
9 als einlagige Torusspulen und Selbstinduktion des Resonators dienen. Der
am unteren Ende des Resonators sich anschließende rohrförmige Teil io bildet mit
dem Rohr 6 einen Kurzschlußkondensator, der am oberen Ende sich anschließende rohrförmige
Teil ii bildet mit dem Rohr 6 eine Energieleitung von geringem Wellenwiderstand.
Die Länge der Energieleitung wird zweckmäßig gleich der Viertelwellenlänge gewählt.
Das obere Ende des Innenleiters 6 geht in die Z./q.-Antenne 12 und das obere Ende
des Außenleiters ii in die Platte 13 zur kapazitiven Überleitung des Antennenstromes
über.
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Um bei der Röhre ein besonderes Vakuumgefäß zu vermeiden, ist das
obere Ende der Energieleitung mit einer Glasverschmelzung 14 vakuumdicht abgeschlossen
und an den Außenleiter des Kurzschlußkondensators am unteren Ende ein Glasstutzen
15 aasgeschmolzen, durch den die Stromzuleitungen 16 ins Innere der Röhre geführt
sind. Der Glasstutzen trägt auch vorteilhaft den Stutzen 17 zum Anschluß der Röhre
an eine Vakuumpumpe. Als Vakuumgefäß dient demnach im wesentlichen der äußere Metallmantel
der Röhre.
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Um den Austritt von Verluststrahlung aus der Röhre möglichst gering
zu halten, wird der Zwischenraum zwischen den beiden Röhren 6 und io, welche den
Kurzschlußkondensator am unteren Ende bilden, so klein wie möglich gewählt. Der
Zwischenraum zwischen den die Energieleitung bildenden Rohren 6 und ii wird so groß
gewählt, daß durch dessen Wellenwiderstand die günstigste Anpassung der Antenne
r: an den Resonator erzielt wird. Diese günstigste Wahl des Wellenwiderstandes der
Energieleitung wird am besten durch den Versuch bestimmt.
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Der zur Erregung kommende Resonatorhohlraum wird begrenzt von dem
Metallzylinder 6, dem Gitter 7 und dem äußeren Metallmantel, bestehend aus den
Teilen
8 und g. Der Spannungsbauch der Schwingung bildet sich zwischen dem Gitter 7 und
dem Rohrteil 8 aus. Durch die Lücken des Gitters 7 greift das ultrahochfrequente
Wechselfeld zu einem Teil auf den Innenraum des Zylinders 6 und auf die Kathode
durch. Um dort eine störende Anregung von Resonanzräumen und eine Ableitung von
Schwingungsenergie über die Stromzuleitungen zu vermeiden, ist der Innenraum des
Zylinders 6 mit den isoliert eingesetzten beiden Bolzen 5 und 5' versehen, deren
Außendurchmesser nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 6 -ist. Sie
bilden daher mit dem- Rohr 6 Kurzschlußkondensatoren und begrenzen innerhalb des
Gitters einen Raum, dessen Eigenfrequenz höher ist als die des zur Anfachung gelangenden
Resonators. Der Raum zwischen Kathode und Gitter kann sich also weder in seiner
Grundschwingung noch in irgendeiner Oberschwingung erregen.
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Zur Entdämpfung bzw. zur Schwingungsanfachung des Resonators können
verschiedene Schaltungen benutzt werden.' Vorteilhaft wird die Bremsfeldscha.ltung
benutzt, wobei das Gitter 7 eine hohe positive und die Anode oder Bremselektrode
8 eine Spannung um Null oder eine negative.Spannung, bezogen auf die Kathode, erhalten.
Die von der Kathode ausgehenden Elektronen gelangen zum Teil direkt auf die Stäbe
des Gitters; ein anderer Teil dringt in den Raum zwischen Gitter und Anode ein.
Bei schwingender Röhre ändert sich das Verhältnis des Elektronenstromes der direkt
auf dem Gitter endet zum Elektronenstrom, der das Gitter durchquert, vor der Anode
wendet und wieder auf das Gitter zurückkehrt. Durch die Schwingung zwischen Gitter
und Anode findet also am Gitter selbst eine Steuerung des in den Gitter-Anoden-Raum
eindringenden Elektronenstromes statt. Der dadurch hervorgerufene Elektronenwechselstrom
gibt stets mit dem zwischen Gitter und Anode vorhandenen Wechselfeld eine Leistungsabgabe,
falls die Laufzeit der Elektronen vom Gitter bis zur Umkehrfläche vor der Anode
ungefähr mit 3/5 der Periodendauer der ultrahochfrequenten Schwingungen übereinstimmt.
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Die das Gitter 7 in Richtung nach der Anode 8 durchsetzenden Elektronen
werden sowohl auf dem Hinweg als auf dem Rückweg durch das Hochfrequenzfeld gebremst,
übertragen also Energie, die ihnen durch das zwischen q. und 7 vorhandene Gleichfeld
erteilt wurde, auf den Resonator. Wenn die Wechselspannung, bis zu welcher der Resonator
sich aufschaukelt, genügend groß ist, werden die Elektronen bereits bei ihrem Hinundrückgang
derart stark gebremst, daß sie auf dem Gitter 7 bei ihrer Rückkehr von der Anode
8 ungefähr mit der Geschwindigkeit Null ankommen. Unter diesen Verhältnissen findet
eine optimale Ausnutzung der auf die Elektronen übertragenen Gleichfeldenergie statt.
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Statt des hier geschilderten anfachenden Elektronenmechanismus mit
Pendelsteuerung am Steuergitter 7 durch die Anode 8 kann um die Kathode q. ein weiteres
Steuergitter angeordnet werden, das mit der Kathode q. zusammen einen Resonator
bildet, der entweder fremd gesteuert oder vom Resonator zwischen 6, 8 und j rückgekoppelt
angeregt wird. Es liegt dann ein anfachender Elektronenmechanismus mit Raumladesteuerung
und Rückkopplung vor. Auch eine Magnetronanordnung kann benutzt werden, indem etwa,
bei der Röhre nach Abb. 3 über die Anode 8 eine Spüle gewickelt wird, die ein axiales
Magnetfeld ergibt. Dieses axiale Magnetfeld zwingt dann die das Gitter 7 in Richtung
nach der Anode verlassenden Elektronen in ähnlicher Weise zur Umkehr, wie für die
Anordnung nach Abb.3 dies vom Bremsfeld vorausgesetzt wurde. Auch bei der Magnetronanordnung
kann die Steuerung durch den soeben als Pendelsteuerung am Gitter bezeichneten Mechanismus
geschehen. Es sind noch beliebige weitere Arten von anfachenden Elektronenmechanismen
denkbar, z. B. -kann - als Kathode statt einer Glühkathode die zwischen einer Glühkathode
und einer Erregeranode übergehende Elektronenströmung dienen, oder es kann eine
Anordnung mit Querfeldsteuerung benutzt werden, bei der ein Elektronenstrahl im
Querfeld zwischen zwei Kondensatorplatten abwechselnd nach dem einen bzw. dem anderen
von zwei Auffängern gelenkt wird. Auch ein Elektronenmechanismus auf Grund der Elektronenaussortierung
kann in Anwendung kommen. Jedenfalls ist der Gegenstand der Erfindung vollkommen
unabhängig von der besonderen Art des anfachenden Elektrönenmechanismus und erweist
sich in Kombination mit jeder Art der Anfachung als günstig und von wesentlicher
Bedeutung, wenn es sich darum handelt, hohe Amplituden der Wechselspannung und hohe
Schwingleistung zu erhalten.