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Elektronenröhrenanordnung zum Arbeiten mit ultrakurzen Wellen, unter
Verwendung einer Mehrgitter-Bremsfeldröhre Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Elektronenröhrenanordnung zum Arbeiten mit ultrakurzen elektromagnetischen Wellen.
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Versucht man mit einer Dreielektrodenröhre, bestehend aus Kathode,
Steuergitter und Anode, ultrahochfrequente Schwingungen von weniger als z m Wellenlänge
zu erregen, so stößt man auf die folgende Schwierigkeit: Die Laufzeit der Elektronen
von der Kathode bis zur Anode soll klein oder mindestens vergleichbar bleiben mit
der Periode der anzufachenden Schwingungen. Bei praktisch möglichem Elektrodenabstand
bedeutet dies derart hohe Anodenspannungen, daß infolge des Durchgriffs der Anode
und bei Aussteuerung in der Spannung das Steuergitter die Kathode nicht mehr genügend
entgegen der Einwirkung der Anode zu beeinflussen vermag. Die Röhre verliert also
ihre Steuerfähigkeit. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, daß die
Elektronen nach Austritt aus dem Steuerraum KG, zwischen Kathode IL und Steuergitter
G1 zunächst in einen Beschleunigungsraum G1, G2 zwischen dem Steuergitter G1 und
einem Beschleunigungsgitter G2 eintreten, in welchem sie auf eine derart hohe Geschwindigkeit
gebracht werden, daß sie den eigentlichen für die Anfachung der ultrahochfrequenten
Schwingungen dienenden Raum zwischen dem Beschleunigungsgitter G2 und der Anode
A in Zeiten durchqueren, die klein oder vergleichbar mit der Periode der anzufachenden
Schwingungen bleiben. Vom Beschleunigungsraum Gi, G2 sollen im allgemeinen hochfrequente
Felder ferngehalten werden. Der Laufweg und damit die Laufzeit G1, G2 können daher
verhältnismäßig groß gewählt werden, so daß auch bei höheren Spannungen die Beeinträchtigung
der Steuerfähigkeit
nicht eintritt, und ferner können nun Laufweg
und Laufzeit im eigentlichen Anfachraum G2A der Periode der anzufachenden Schwingungen
angepaßt werden ohne eine in Betracht kommende Rückwirkung auf den Steuerraum.
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Die erfindungsgemäße Elektronenröhrenanordnung zum Arbeiten mit ultrakurzen
Wellen unter Verwendung einer Mehrgitter-Bremsfeldröhre mit zwischen Beschleunigungsgitter
und Kathode liegendem Steuergitter, dessen Gleichvorspannung wesentlich niedriger
als diejenige des Beschleunigungsgitters ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein
Resonanzgebilde an den Raum zwischen Steuergitter und Kathode (Steuerraum) und ein
anderes Resonanzgebilde, daß dieselbe Betriebsfrequenz aufweist wie das zuerst erwähnte
Resonanzgebilde, an den Raum zwischen Beschleunigungsgitter und Bremselektrode (Anfachraum)
angekoppelt wird.
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Die Verwendung von Mehrgitterröhren in Bremsfeldschaltungen ist an
sich bereits bekannt. Eine dieser bekannten Anordnungen zeigt z. B. die Verwendung
eines positiv vorgespannten Gitters zwischen der Bremselektrode und dem Beschleunigungsgitter
und den Anschluß eines einzigen Resonators entweder an das Beschleunigungsgitter
und die Bremselektrode oder an das Beschleunigungsgitter und die Kathode. Bei anderen
bekannten Anordnungen ist ein Resonanzsystem an die Bremselektrode und das Steuergitter
angeschlossen, während an das Beschleunigungsgitter kein Resonanzsystem angeschlossen
ist. Ferner ist die Verwendung einer Mehrgitterröhre in einer Bremsfeldschaltung
in der Art bekannt, daß an die Kathode und an das dieser am nächsten benachbarte
Gitter sowie an die Bremselektrode und an das dieser am meisten benachbarte Gitter
je ein Resonanzsystem angeschlossen ist, jedoch sind hier die beiden Gitter mit
einer gleich großen hohen positiven Vorspannung beaufschlagt. Beide Gitter sind
also Beschleunigungsgitter. Auch ist es bekannt, bei solchen Anordnungen die beiden
beiderseits der zwei Gitter liegenden Elektroden als Kathoden auszubilden und als
Bremselektroden zu verwenden. Auch die Verwendung einer Dreigitterröhre in Bremsfeldschaltung
ist bekannt. Hierbei ist das der Kathode zunächst liegende Gitter als Modulationsgitter
ausgebildet und an die Bremselektrode und das dieser Elektrode am meisten benachbarte
Gitter ein Lechersystem angeschlossen. Es sind auch Untersuchungen bekannt, die
darauf gerichtet sind, festzustellen, welche Verwendungsmöglichkeiten . der einzelnen
Elektroden einer Dreigitterröhre bestehen, um eine derartige Röhre zu Schwingungen
anzufachen. Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist, daß die Intensität der erzeugten
Schwingungen mit der Zahl der abgestimmten Schwingungssysteme wächst. Eine der vorliegenden
Erfindung entsprechende Elektronenröhrenanordnung ist jedoch auch aus diesen Untersuchungen
nicht bekanntgeworden.
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Um bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit geringer Steuerspannung
eine gute Aussteuerung des Emissionsstromes zu erzielen, empfiehlt es sich, den
Abstand Glühkathode-Steuergitter möglichst klein zu wählen. Es ist dies im Gebiete
der ultrahochfrequenten Schwingungen auch deswegen von besonderer Bedeutung, weil
der Verschiebungsstrom neben dem Elektronenstrom eine erhebliche - Rolle spielt,
und zwar im Steuerraum im ungünstigsten Sinne, indem der an der Kathode noch voll
aus Elektronenstrom bestehende totale in der Röhre nachweisbare Strom am Steuergitter
bereits zum Teil aus Verschiebungsstrom besteht und der Elektronenwechselstrom auf
einen um so kleineren Betrag abgeklungen ist, je breiter - der Steuerraum KG, gewählt
wird. Wenn nämlich z. B. ein Elektron oder gleichzeitig eine Mehrzahl von Elektronen
die Kathode verläßt, so werden von diesem Elektron auf dem Wege zum Gitter elektrische
Ladungen auf dem Gitter influenziert. Bis zu dem Zeitpunkt, in dem das Elektron
in der Fläche des Gitters angelangt ist, werden aber von einem etwas später von
der Kathode gestarteten Elektron und von einem noch später gestarteten Elektron
usf. ebenfalls Ladungen auf dem Gitter influenziert. Diese von später gestarteten
Elektronen influenzierten Ladungen und damit der Verschiebungsstrom am Gitter sind
um so stärker, j e länger der Weg ist, den das erstere Elektron bis zur Gitterfläche
zurückzulegen hat, denn in der entsprechenden Zeit starten immer wieder neue Elektronen,
die auf dem Gitter Ladungen influenzieren. Erstrebenswert ist aber, daß in der Gitterfläche
der gesamte (totale) Wechselstrom zu einem möglichst großen Anteil aus Elektronen
besteht, damit dann ein möglichst großer Elektronenwechselstrom in den Anfachraum
gelangt und den Anfachresonator anfacht.
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Derselbe ungünstige Effekt stellt sich ein, wenn wegen zu kleinem
Mittelwert der Steuerspannung mit zu großer Laufzeit im KG,-Raum gearbeitet wird.
Versuche bei 12 cm Wellenlänge haben ergeben, daß es mit Rücksicht auf diesen Effekt
vorteilhaft ist, das obere Ende des linearen Teiles der statischen Röhrenkennlinie
für die Steuerung der dm-Wellen heranzuziehen. Auch bei Verwendung der Anordnung
als Gleichrichter ist mit Rücksicht auf möglichst kurze Laufzeit im Steuergitterraum
die Gleichrichtung am oberen Knick der Kennlinie wirkungsvoller als die Gleichrichtung
am unteren Knick.
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Bringt man nun die aus dem Steuergitter austretenden Elektronen im
Beschleunigungsraum G1, G2 auf eine bestimmte Geschwindigkeit und untersucht, bei
welcher Anodenspannung dieser Elektronenwechselstrom optimale Anfachung eines an
den Anfachraum G.A angeschlossenen Resonators hervorbringt, so zeigt es sich, daß
diese Anfachung immer dann ein Maximum ist, wenn das Anodenpotential in der Nähe
des Kathodenpotentials liegt, wenn also die Elektronen an der Anode mit der Geschwindigkeit
Null ankommen oder umkehren. Diese Beziehung besteht praktisch unabhängig davon,
mit welcher Geschwindigkeit die Elektronen in den Anfachraum eintreten. Wie Versuche
ergeben haben, muß bei maximaler Anfachung die Anodenspannung ein wenig positiver
als die Spannung der Kathode gewählt werden. Trotzdem kehrt die Mehrzahl der Elektronen
vor der Anode um und bewegt sich zurück zum Beschleunigungsgitter G2. Diese Umkehr
hängt damit zusammen, daß die Elektronen durch die Elemente
des
Steuergitters G2 seitliche Ablenkung erfahren, welche ihnen eine Geschwindigkeitskomponente
parallel zum Gitter erteilen und die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Gitter
herabmindern. Daß ein gerade vor der Anode umkehrender Elektronenwechselstrom eine
maximale Anfachung auf einen am G2A-Raum angekoppelten Resonator ausübt, hat seinen
Grund darin, daß bei dieser Wahl der Anodenspannung die Elektronen die längste Zeit
mit dem Hochfrequenzfeld im G.A-Raum in Wechselwirkung stehen. Die Kopplung zwischen
bewegten Elektronen und Hochfrequenzfeld ist also möglichst groß; denn wird die
Anodenspannung wesentlich höher als die Kathodenspannung gewählt, so verringert
sich die Laufzeit, und die Elektronen verschwinden nach einmaligem Durchqueren des
G. ,A-Raumes an der Anode. Wird aber die Anodenspannung wesentlich niedriger als
die Kathodenspannung gewählt, so werden die Elektronen in einer Ebene zwischen Beschleunigungsgitter
und Anode zur Umkehr gezwungen, und ihre Laufzeit im G2 A-Raum ist wiederum kleiner
als in dem ausgezeichneten Falle, da die Umkehr unmittelbar vor der Anode stattfindet.
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Das bei Wahl des Anodenpotentials sich einstellende Optimum der Anfachwirkung
auf den Anfachraum G,A hängt nun seinerseits ab von der Geschwindigkeit, mit welcher
der Elektronenwechselstrom das Beschleunigungsgitter G2 durchquert, und zwar zeigt
es sich im Falle ebenflächiger Elektroden und bei vernachlässigbarer Wirkung der
Raumladungen im Anfachraum, daß bei Festhalten des Anodenpotentials in der Nähe
des Kathodenpotentials und bei Veränderung der Beschleunigungsspannung über den
G1, G.-Raum die Anfachwirkung ein absolutes Maximum wird, falls die unmittelbar
vor der Anode umkehrenden Elektronen den Anfachraum mit der einfachen Laufzeit ungefähr
gleich einem Drittel der Periodendauer der ultrahochfrequenten Schwingungen durchqueren.
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Bei nicht ebener, sondern beispielsweise zylindersymmetrischer Anordnung
oder bei Berücksichtigung der Raumladungen, also im Falle hoher Stromdichte in der
Umkehrzone vor der Anode, muß die einfache Laufzeit etwas abweichend von i/3 der
Periodendauer der ultrahochfrequenten Schwingungen eingestellt werden. Am einfachsten
ist es, durch den praktischen Versuch jeweils die Spannungen und damit die Laufzeit
zu bestimmen, bei welcher maximale Anfachung, also im Falle eines Schwingungserzeugers
maximale Schwingleistung auftritt. Um sowohl im Steuerraum IiGl als auch im Anfachraum
G,A die ultrahochfrequenten, elektrischen Felder herzustellen, sollen diese Räume
je einem für die betreffenden ultrahochfrequenten Schwingungen abgestimmten Resonator
angehören.
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Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Abb. i, und zwar ist Abb. i a ein
Schnitt längs x-x der Abb. i b.
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In Abb. i a bedeuten K die Kathode, G1 das Steuergitter, G2 das zweite
Gitter, welches mit G1 den Beschleunigungsraum abgrenzt und A die Anode. K und G1
sind die Enden eines Lechersy stems der Länge A/2, wo 2. die Wellenlänge bedeutet.
Dieses System schwingt derart, daß in seiner Mitte ein Spannungsknoten auftritt,
bei welchem zweckmäßigerweise die Gleichspannungen zugeführt werden, während an
den Enden, insbesondere am KG,7 Ende, ein Spannungsbauch entsteht, derart, daß das
in ihm auftretende elektrische Feld zum Hervorrufen der Steuerwirkung benutzt wird.
In analoger Weise sind das Gitter G2 und die Anode A die Enden der beiden Leiter
eines zweiten Lechersystems der Länge 2/2. Das zur Steuerung und das zur Anfachung
dienende Lechersystem sind derart zueinander angeordnet, daß der zwischen den beiden
Gittern G1, G2 gelegene Beschleunigungsraum weit außerhalb der Resonanz mit den
ultrahochfrequenten Schwingungen liegt. Diese Anforderung kann beispielsweise erfüllt
werden durch eine Anordnung entsprechend Abb. i b. Führt man am Ende RS ultrahochfrequente
Schwingungen zu und stellt die Gleichspannungen von G1, G2 und A in der Weise ein,
daß eine maximale Steuerwirkung der aus K austretenden Elektronen und eine maximale
Anfachung der durch das Gitter G2 in den G,A-Raum eintretenden Elektronen erfolgt,
so kann an den Enden T U eine verstärkte ultrahochfrequente Schwingung abgenommen
werden. Die Anordnung arbeitet also als Verstärker für cm- und dm-Wellen.
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Statt der in den Abb. i a und i b dargestellten ebenen Anordnung kann
mit Vorteil eine in den Abb. 2 a und 2b wiedergegebene zylindersymmetrische Anordnung
gewählt werden. Sie zeichnet sich gegenüber der ebenen Anordnung durch geringe Streustrahlung,
also geringe Verlustdämpfung aus, ist aber im übrigen in genau derselben Weise aufgebaut,
wie dies für die ebene Anordnung der Abb. i a und i b der Fall ist.
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Sobald die Möglichkeit der Verstärkung besteht, kann durch Einführung
einer geeigneten Kopplung zwischen dem Resonator, welchem der Anfachraum angehört,
und dem Resonator, welchem der Steuerraum angehört, eine Entdämpfung des gesamten
Schwinggebildes, z. B. zu Empfangszwecken, hervorgerufen werden, eine Entdämpfung,
die schließlich bis zur Selbstanregung von Schwingungen getrieben werden kann, so
daß die Anordnung als Erzeuger von ultrahochfrequenten Schwingungen, beispielsweise
als Sender für ultrahochfrequente, elektrische Wellen, arbeitet. Natürlich müssen
Kopplungen der beiden Resonatoren und die Laufzeit der Elektronen von der Kathode
bis zum Eintritt in den Anfachraum G, A
derart aufeinander abgestimmt werden,
was zweckmäßigerweise durch Wahl der Beschleunigungsspannung und des Abstandes G1,
G2 geschieht, daß der gesteuerte Elektronenstrom mit einer für die Anfachung richtigen
Phase in den Anfachraum G2A eintritt.
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In den Abb. 3 a und 3 b ist der Querschnitt und der Längsschnitt einer
derartigen Anordnung wiedergegeben, Kathode K, Steuergitter G, Beschleunigungsgitter
G2 und Anode A sind hier in die Mitte von Resonatoren der Länge 2/2 verlegt, die,
da die Elektroden in einem Spannungsbauch sich befinden müssen, an ihren Enden durch
geeignete Kapazitäten kurzgeschlossen sind. An einem Ende bildet die Kurzschlußkapazität
eine Platte P, die den entsprechend verbreiterten Stirnflächen der zylindrischen
Elektroden als zweite Belegung eines Kondensators gegenübersteht. Diese dem Resonator
des SteuerraumeshiGl
und dem Resonator des Anfachraumes G,A gemeinsame
Kondensatorplatte P vermittelt die Kopplung zwischen den beiden Resonatoren. Je
kleiner der Zwischenraum zwischen dieser Platte .P und den ihr gegenüberstehenden
Stirnflächen der Elektroden gewählt wird, um so größer ist die Kapazität und um
so kleiner die Kopplung zwischen Anfachraum und Steuerraum. In dem an der Platte
P bestehenden Spannungsknoten der beiden Resonatoren werden zweckmäßigerweise auch
die Gleichspannungen der Elektroden geführt. Diese Anordnung der Rückkopplungsmittel
innerhalb der metallischen Wandung des Resonatorhohlraumes ist deshalb von besonderer
Bedeutung, weil sie eine besonders einwandfreie Bestimmung der Phasenlage der einzelnen
Resonatoren zueinander ermöglicht, insbesondere die Phasenlage von äußeren Einflüssen,
wie Strahlungskopplung usw., vollkommen unabhängig macht. Auf der Gegenseite zur
Platte P verengert sich der Anodenzylinder A auf einen Zylinder W, der der Verlängerung
des Zylinders G2 in einem kleinen Spalt gegenübersteht. Auch dieser kleine Spalt
dient als Kapazität für den Resonator, welchem der Anfachraum G,A angehört. Der
Zylinder W, der beispielsweise eine Länge von A/4 haben kann, schließt ab mit einer
Ebene E, aus welcher der innere Zylinder G2 frei herausragt und infolge davon als
Antenne der Länge R/4, also als Strahler dient. Die Ankopplung des Strahlers an
den Anfachraum G,A wird angepaßt durch geeignete Wahl des Zylinderdurchmessers
W. Je enger der Zylinder W
an die Verlängerung des Zylinders G2 anschließt,'um
so loser ist die Kopplung zwischen Strahler und Anfachraum. Es empfiehlt sich, diese
Kopplung derart einzustellen, daß der Strahler, bezogen auf den Anfachraum, einen
Belastungswiderstand darstellt, welcher gleich dem inneren Verlustwiderstand des
Resonators, dem der Anfachraum angehört, ist. Der Beschleunigungsraum ist von den
beiden konzentrischen Rohren, die in ihrer Mitte das Steuergitter G1 und das Beschleunigungsgitter
G2 bilden, begrenzt und stellt daher ebenfalls ein konzentrisches Lechersystem dar.
In dem Innenraum desselben ist koaxial ein zylindrischer Körper Z vorgesehen, der
die Wirkung hat, den Wellenwiderstand des von den beiden Zylindern G1, G2 gebildeten
konzentrischen Lechersystem herabzusetzen.
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Die Anfachwirkung ist um so größer, je mehr Elektronen in den Anfachraum
G,A eintreten. Es ist infolgedessen darauf zu achten, daß ein möglichst geringer
Prozentsatz des von der Kathode ausgehenden Elektronenstromes an einem der Gitter
G, bzw. G2 verlorengeht.
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Da die Raumladesteuerung bei sehr hohen Frequenzen beeinträchtigt
wird, wenn nicht äußerst kleine Abstände und Laufzeiten zwischen Kathode K und Steuergitter
G1 gewählt werden, empfiehlt es sich, bei besonders hohen Frequenzen als Elektronenquelle
eine zwischen einer Glühkathode und einer oder mehreren, zweckmäßig stab- oder bandförmigenHilfsanoden
mit schwach positiver Vorspannung übergehende Elektronenströmung als Elektronenquelle
zu benutzen.
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Endlich ist es möglich, mit ein und derselben Kathode auf zwei im
Gegentakt arbeitende Systeme, bestehend aus je einem Steuerraum KG" einem Beschleunigungsraum
G1, G2 und einem Anfachraum G2 A,
einzuwirken. Es kann dies beispielsweise
dadurch geschehen, daß der Anordnung in Fig. i b eine zum Kathodenleiter SK als
Spiegelachse spiegelsymmetrische Anordnung zugeordnet wird. Von K gehen dann in
beiden Richtungen Elektronenströme aus, von denen jeder in einem ihm zugeordneten
Steuerraum beeinflußt und in einem besonderen Anfachraum zur Erzeugung ultrahochfrequenter
Schwingungen ausgenutzt wird. Bei zylindrischer Anordnung der Elektroden bzw. Resonatoren
entstehen dann Systeme mit Schlitzanode, Schlitzsteuergitter und Schlitzbeschleunigungsgitter.