DE872225C - Einrichtung zur Erzeugung von aeusserst kurzen elektromagnetischen Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung von äußerst kurzen elektromagnetischen Wellen mit Hilfe einer besonderen, mit einem Elektronenstrahl arbeitenden Röhre und einer zugehörigen Einrichtung, welche diesen Strahl periodisch unterbricht. Nach ihrem Grundgedanken besteht die Erfindung in einer Kombination einer Röhre, welche sehr hohe Frequenzen erzeugt, indem die Unterbrechungen des Elektronenstrahles in einen äußeren, mit der Frequenz der Unterbrechungen oder mit einer ihrer Harmonischen in Erscheinung tretenden Wirkung umgewandelt werden, mit einer Wanderwellenröhre, in welcher die: Wechselwirkung zwischen dem dieser äußeren Wirkung entsprechenden Elektronenstrom und den durch diesen Strom erregten Wanderwelleii eintritt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Fall, wo die das Wanderwellensystem erregende Unterbrechungsfrequenz ein Vielfaches der Frequenz einer Leiteinrichtung ist, durch welche diese Unterbrechungen gesteuert werden.

Die gewünschten Unterbrechungen des Elektronenstrahles werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer an sich bekannten Einrichtung erzeugt, durch welche der Strahl so abgelenkt und in Umlauf versetzt werden kann, daß er einen Kegel beschreibt; hierbei bestreicht der Strahl eine in geeigneter Weise gelochte Fläche, die senkrecht zu der Kegelachse in der Weise eingefügt ist, daß nach Durchtritt durch die Lochungen Ströme erzeugt werden, deren Frequenz gleich ist dem Produkt der Umlauffrequenz des Strahles und der Unterbrechungszahl auf Grund der Lochungen während eines Strahlumlaufes.

Der Umlauf des Strahles wird erreicht, indem man nach einem bekannten Verfahren ein zeitlich

konstantes Längsmagnetfeld und-ein -elektrisches* Querfeld vorsieht, welches sich mit einer Hochfrequenz ändert, die der Umlauffrequenz des Strahles entspricht. Die Elektroden, zwischen welchen das elektrische Feld erzeugt wird, können die Kapazität bestimmen, welche in einen mit der abgeleiteten Frequenz erregten Schwingungskreis eingeschaltet ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ίο ergeben sich aus> der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. ι ein Ausführungsbeispiel einer im Längsschnitt dargestellten Röhre, welche zur Verwirkliehung der Erfindung erforderlich ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils dieser Röhre, .-.-... .

Fig. 3 einen Querschnitt der die Frequenzvervielfachung bewirkenden Elektrode, Fig. 4 ein Diagramm des Elektronenstromes,

Fig. 5 eine bauliche Einzelheit eines Teils der Röhre. .

In Fig. ι ist 1 eine Kathode, deren Strom durch die Elektrode 2 gebündelt und durch die Elektrode 3 beschleunigt wird. Der erzeugte Elektronenstrahl 4 wird in einen in Fig. 5 dargestellten Hohlraum 5 geschickt, in welchem zwei Elektroden 6 und 7 einen Kondensator zur Ablenkung des Strahles bilden, wobei die Kapazität dieses Kondensators ein Teil eines Kreises ist, welcher auf eine Frequenz einer Leiteinrichtung, die diesen Kreis erregt und durch eine Schleife 8 angekoppelt ist, abgestimmt wird.

Der Hohlraum 5 ebenso wie die ganze- Röhre ist in einem homogenen und zeitlich konstanten Magnetfeld angeordnet, welches nach der Röhrenachse, d. h. in Richtung des mittleren Verlaufes des Elektronenstrahles, gerichtet ist. Dieses Magnetfeld wird durch die Wicklung 9 erzeugt, und seine Induktion B wird so gewählt, daß, wenn das zwischen 6 und 7 angelegte elektrische Feld sich mit der Frequenz f_p ändert (die der Frequenz der durch die Schleife 8 angekoppelten Leiteinrichtung gleich ist), die Elektronen in diesen elektrischen und magnetischen Feldern genau mit der Frequenz f_p um . die Röhrenachse in Umlauf versetzt werden. Die Theorie zeigt, daß B dann den, Wert haben muß, welcher sich durch folgende Gleichung in Gauß ergibt, wenn f_p in Hz ausgedrückt wird: '

'Β = 3,56 · ™~% .(i)

Am Ausgang des Hohlraumes 5 ist in den Weg des Strahles eine Wand 10 eingefügt, die mit einer gewissen Anzahl η radialen Schlitzen versehen ist,

.55 so daß der Strahl, wenn er auf der Fläche dieser Elektrode (Fig. 3) einen. Kreis, α beschreibt, von ihr mit Unterbrechungen aufgefangen wird und nur in Zeiträumen hindurchgeht, die in bezug· auf seine Umlauf zeit kurz sind. Auf der entgegengesetzten Seite der Wand 10 ergeben sich somit nf_p Impulse des Elektronenstrahles pro Sekunde.

In dem nach dem Hohlraum 5 befindlichen Teil

der Röhre ist eine Verzögerungsleitung angeordnet, die m Fig. 1 in Form einer Wendel 11 dargestellt ist, welche um einen auf dasselbe Gleichspannungspotential wie die Wendel gebrachten Leiter 12 gewickelt ist. Die Erfindung ist indessen nicht auf diese Form einer Verzögerungsleitung beschränkt, sondern umfaßt die Verwendung jeder linearen Leitung, bei welcher der Elektronenstrahl in axialer Richtung hindurchtreten kann und welche die Eigenschaft hat, eine Wanderwelle zu erzeugen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Bewegungsrichtung des Strahles fast gleich ist der Geschwindigkeit der Elektronen in derselben Richtung.

Gemäß der Erfindung wird die elektromagnetische Welle in dieser Leitung durch die in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Strahlimpulse erregt, wobei der Strahl weiterhin parallel zu der Leitung mit einer Geschwindigkeit umläuft, die annähernd der Geschwindigkeit der Wanderwelle gleich ist. Am Ende der Wendel ist in bekannter Weise ein beliebiges Kopplungsmittel, z. B. ein mit dem Wendelausgang verbundener Dipol 13, vor-.gesehen, um die Hochfrequenzleistung in einen nicht dargestellten Hohlraumleiter zu schicken. -Am Ende der Röhre werden die Elektronen durch einen Sammler 14 aufgefangen.

Die beschriebene Röhre arbeitet in folgender Weise: Die Theorie zeigt, daß ein Elektronenstrahl, der sich in einem konstanten Längsmagnetfeld B verschiebt, welches einem elektrischen Querfeld E mit der Frequenz f_p überlagert ist, sich auf der Oberfläche eines Kegels gemäß Fig. 2 bewegt, wenn die Bedingung der Gleichung (1) erfüllt ist. Der Strahl läuft um seine Achse mit der Frequenz f_p um. Am Ausgang des ablenkenden Feldes behält der Strahl seinen Umlauf bei, jedoch werden die Elektronenbahnen Geraden, die zu der Achse parallel verlaufen. Wenn die Austrittswand des Hohlraumes η radiale Schlitze aufweist, werden in die nach dieser Wand befindliche Verzögerungsleitung nf_p Elektrohenimpulse pro Sekunde geschickt. Diese Impulse enthalten die Grundkomponente nf_p und ihre zahlreichen Harmonischen 2 nf_p usw., wobei die Amplitude der Komponente nf_p am größten ist. Daraus folgt die Entstehung von Elektronenströmen mit entsprechenden Frequenzen, wie in Fig. 4 veranschaulicht, welche den Verlauf der Elektronenströme in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt. Die Kurve b zeigt die Form der in die Verzögerungsleitung eintretenden; Impulse, während die gestrichelte Kurve c die Grundkomponente "t mit der Frequenz f = nf_p dieses impulsförmigen Elektronenstromes zeigt. ■ ■ -. '

Bekanntlich erregt ein in -eine Verzögerungsleitung geschickter Hochfrequenzelektronenstrom am Ausgang dieser Leitung mehrere elektromagnetische Wellen mit der Frequenz des Elektronenstromes. Aus der Theorie der Wanderwellenröhren ist ferner bekannt, daß die Amplitude einer dieser erregten Wellen auf ihrem Weg verstärkt wird, wenn sie von dem Elektronenstrahl begleitet wird, : dessen Elektronen annähernd dieselbe Geschwindigkeit v.= 595.:.γ~ΰ besitzen, wie die Ausbreittmgsphase der Welle in der. Leitung, wobei ν die. Ge-

schwindigkeit in Kilometer pro Sekunde und U die Spannung zwischen ' der Verzögerungsleitung, und der Kathode in Volt ist. Am Ausgang der'Leitung kann die verstärkte Leistung dieser Welle -demnach mittels einer geeigneten Kopplung an die Belastung abgegeben werden. ._■ ; ""■"■__

Fig. 5 zeigt beispielsweise gewisse Einzelheiten des Hohlraumes 5 der Fig. i. Die Ablenkplatten f> und 7 werden durch Träger gehalten,-welche mit

ίο den zylindrischen Wanden dieses Hohlraumes verbunden sind. Die Eintrittswand 15 besitzt eine Öffnung für den Durchtritt des Strahles, und die Austrittswand 10 ist mit Schlitzen versehen, wie in Fig. 3 gezeigt. Bei 16 sind elastische Wandteile vorgesehen, um die Abstimmung des Hohlraumes auf die Frequenz der Erregervorrichtung zu ermöglichen, indem man die Wände deformiert und die Elektroden 6, 7 einander mehr oder weniger nähert.

Im folgenden wind ein zahlenmäßiges' Beispiel für die Anwendung der Erfindung beschrieben. Es sei die Wellenlänge der Erregereinrichtung mit λ = iocm entsprechend der Frequenz/_p = 3000 MHz angenommen. Die Gleichung (1) ergibt dann B= 1068 Gauß. Bei einer Länge des Ablenkfeldes L = ι cm (Fig. 2), einer dem Eingangskreis zugeführten Gleichspannung V = 900 Volt und einem Radius des von dem Strahl auf der Austrittswand beschriebenen Kreises r = 0,2 cm (Fig. 3) errechnet sich das elektrische Hochfrequemzfeld nach der Beziehung

E =

3,3 ·

(2)

mit den angegebenen Zahlenwerten E = 5400 V/cm. Die von der Leiteinrichtung gelieferte und an den Elektronenstrom abgegebene Eingangsleistung ergibt sich in Watt aus folgender Beziehung:

16 V

(3)

Bei einem Strom I₀ des Elektronenstrahles von z. B. 10 mA wird somit eine Eingangsleistung P von etwa 20 W benötigt.

Wenn die Schlitzzahl in der Wand 10 η = 8

beträgt, erhält man am Ausgang eine mit 8 ver-

' vielfachte Frequenz f_p, nämlich eine Wellenlänge von 12,5 mm im freien Raum. Die Frequenz könnte jedoch noch höher sein, wenn, anstatt die Grundkomponente zu verstärken, die Verzögerungsleitung so bemessen wird, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wechselwirkung mit einer der Harmonischen 2nf„, 3nfp... längs der Verzögerungs-

leitung angepaßt wird, um diese betreffende Harmonische zu verstärken. Die Erfindung erstreckt sich selbstverständlich auf alle diese Möglichkeiten. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern läßt zahlreiche Abwandlungen ihres Grundgedankens zu. Die Form des in Fig. 5 dargestellten Eingangskreises ist für die Erfindung nicht einschränkend, vielmehr lassen sich auch andere Formen ausbilden, welche ein. elektrisches .Ablenkfeld quer zu- einem Magnetfeld hervorbringen können.

Die Beschieunigungselektrode des Elektronene;rzeugers könnte unmittelbar- durch die Eintrittswand des ,.Hohlraumes gebildet werden. Ferner könnte "die Austrittselektrode. dieses Hohlraumes, anstatt durch eine Wand dieses Hohlraumes gebildet zu werden, eine getrennte Elektrode sein, die an einer geeigneten Stelle zwischen Eingangskreis und Verzögerungsleitung eingefügt wird. Die Form der Verzögerungsleitung und deren Kopplung mit der Belastung können nach irgendeiner bekannten Art ausgebildet werden. Schließlich könnte man an Stelle einer einzigen Verzögerungsleitung mehrere Leitungen vorsehen, von denen jede hinter einem Teil der Schlitze der Austrittselektrode des Eingangskreises angeordnet ist.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Erzeugung von äußerst kurzen elektromagnetischen Wellen, gekennzeichnet durch eine Wanderwellenröhre, deren Verzögerungsleitung mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt, wobei dieser vor seinem Eintritt in den Wechselwirkungsraum einer periodischen Unterbrechung unterworfen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Strahles durch eine Einrichtung erfolgt, welche durch eine Leitfrequenz gesteuert wird und die Elektronen auf einer Kegelfläche eine Schraubenlinie beschreiben läßt, wobei quer zu der Strahlachse eine Elektrode eingefügt ist, welche eine Reihe von durch den Strahl kreisförmig bestrichenen Öffnungen aufweist und eine Reihe von Elektronenstromimpulsen zur Erregung der Wanderwellenröhre hindurchgehen läßt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in welchem die Elektronen eine kegelförmige Schraubenlinie beschreiben, von einem zeitlich konstanten axialen Magnetfeld und von einem mit der Leitfrequenz veränderlichen elektrischen Querfeld durchsetzt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in welchem die Elektronen eine kegelförmige Schraubenlinie beschreiben, ein Hohlraum ist, in welchem zwei Elektroden zur Ablenkung des Strahles durch das elektrische Querfeld angeordnet sind und dessen Eintrittswand eine Öffnung für den Strahldurchgang 'aufweist, während die Austrittswand mit Öffnungen für die Strahlunterbrechung versehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderwellenröhre mehrere Verzögerungsleitungen besitzt, die je hinter einem Teil der Öffnungen der Unterbrechungselektrode angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlgeschwin-

digkeit in bezug auf die Ausbrfeituttgscharakteristik der Verzögerungsleitung so eingestellt ist, daß die Verstärkung einer in der anstoßenden Welle enthaltenen Harmonischen erzielt wird, deren Grundfrequenz . der sekundlichen Unterbrechungszahl des Strahles entspricht.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wandung des Hohlraumes für den Elektronenumlauf elastisch ist, um die Abstimmung auf die Umlauffrequenz durch Abstandsänderung zwischen den Ablenkelektroden des Strahles zu ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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