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Schwingungsumformer zur Umformung von elektrischer Schwingungsenergie
einer bestimmten Frequenz in solche einer anderen Die Erfindung betrifft einen elektrischen-Schwingungsumformer,
d. h. eine Einrichtung, die es gestattet, eine in Form einer elektrischen Schwingung
bestimmter Frequenz vorhandene Energie in Schwingungsenergie einer anderen, insbesondere
einer harmonischen Frequenz umzuwandeln. Es handelt sich demnach um ein hoch.frequenztechnisches
Analogon zumWechselstrom-Wechselstrom-Umformer,der Starkstromtechnik. Die Aufgabe
der Frequen:zverviel.fachung wird in der Hochfrequenztechnik bisher meistens in
der Weise gelöst, idaß .durch nichtlineare Glieder (Leitwiderstände mit unsymmetrischer
Leitfähig'lceit, Drosseln und Übertrager mit sättigungsfähigem Eisenkern, vor allem
aber Elektronenröhren im C-Tetrieb) eine Verzerrung .der gegebenen Schwingung vorgenommen
wind, so. daß in der erhaltenen Ausgangsschwingung harmonische Oberschwingungen
auftreten, welche ausgesiebt werden können. Bei dieser Art der Frequenzvervielfacher
wirken zwar Elektronen mit, jedoch muß !ein Umweg über einen Gleichstrom eingeschlagen
werden, welcher die Leistungsfähi@gkeit und den Wirkungsgrad Ader Energieumwandlung
begrenzt. Wenn man das zuletzt beschriebene Verfahren im Ultrakurzwellenbereich,
insbesondere im Dezimeterwellengebiet, anwendet, muß man damit rechnen, daß die
zur Verfügung stehenden Schwingungskreise für die kürzere Wellenlänge einen verhältnismäßig
kleinen Res.on.anzwi-derstand haben. Dies führt zwangsläufig dazu, @daß .man mit
einer großen Stromstärke arbeiten muß, um eine nennenswerte Oberwellenleistung zu
erhalten. Die Bereitstellung einer großen Stromstärke bereitet jedoch insbesondere
mit Rücksicht
auf die bei Deziirneterwellenröhren zur Verfügung
stehenden kleinen Abmessungen Schwierigkeiten. Die Erfindung löst daher die Aufgabe
der Energieumwandlung auf einem anderen Weg, auf welchem zwar ebenfalls Elektronen
als Mittler verwendet werden, jedoch eine Kathode. mit begrenzter Elektronenergiebigkeit
für dieVerarbeitung wesentlich größerer Leistungen als bisher ausreicht.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Energieumformer, der .insbesondere
zur Umwandlung elektrnischer Schwingungsenerigie einer bestimmten Frequenz in elektrische
Schwingungsenergie einer harmonischen Oberschwingung .dient .und wenigstens eine
Elektronenentladungsstreeke in der Weise verwendet, daß eine Elektronenströmung
in der Kapazitätsstrecke eines zwei- oder mehrwvblligen Hohlraumreso@nato@rs periodisch
verlaufende Bahnen zurücklegt oder längs einer . geschlossenen Bahn abwechselnd
in Resonanzhohlräumen mit verschiedenen Res-ou ,nzfrequenzen verweilt, die abwechselnd
auf die Eingangsfrequenz und auf die Ausgangsfrequenz oder Ausgangsfrequenzen abgestimmt
sind, wobei die Elektronenatrömung einerseits durch ein elektrisches oder magnetisches
Gleichfeld und andererseits ,durch das von der umzuformenden Schwingungsenergie
erzeugte Wechselfeld auf ihrer Bahn geführt werden. Fürthese,- Elektronenströmung
ist charakteristisch, ,daß die Elektronen im Mittel über eine Periode des längerwelligen
Feldes keine Energie aufnehmen. Die aus der -Kathode austretenden Elektronen nehmen
beim Durchlaufen vieler periiodischer Bahnkurven Energie aus einem Wechselfeld auf
und geben sie an ein anderes. Wechselfeld ab, ohne bis zum Auftreffen .auf eine
Elektrode Gleichstromenergie aufgenommen zu haben. Infolgedessen findet eine vollkommene
Abgabe der von den Elektronen aufgenommenen Energie an das Wechselfeld statt. Während
bei den bekannten Frequenzvervielfachern, die mit arbeiten, von den Elektronen Gleichstromenergie
aufgenommen und nur zum Teil in Form von Wechselstromenergie albgegeben, zum Teil
aber auch in Form von Wärme vernichtet wird, können derartige Verluste bei der vorhin
gekennzeichneten Einrichtung praktisch vollkommen vermieden. werden. Die beschriebene
Einrichtung ist nicht zu verwechseln mit dem bekannten Zyklotron, in welchem die
Elektronen ebenfalls periodische Bahnen, durchlaufen, aber bei jedem Umlauf nur
Energie aufnehmen. Da idlie Elektronen idie vorgeschriebenen Bahnen beim Gegenstand
der Erfindung sehr oft, theoretisch sogar unendlich oft, durchlaufen können, vermag
eine Kathode, die an sich nur wesentlich weniger Elektronen in der Zeiteinheit abgeben
kann als in .der Zeiteinheit durch den Querschnitt der Elektronenbahnen hindurchgehen,
ehre sich bewegende Elektronenraumladung wesentlich größerer Stärke hervorzurufen
und den Entladungsraum bis zu einer natürlichen oder einer durch besondere Mittel;
z. B.. durch Änderung von Betriebsspannungen, steuerbaren Sättigung mit Elektronen
zu füllen. Es steht infolgedessen die auch für verhältnismäßig schlechte Resonanzkreise
.ausreichende große Stromstärke zur Verfügung In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsmöglichkeiten
der Erfindung dargestellt, die nunmehr .besprochen werden sollen. Abb. i zeigt einen
Meridianschnitt durch einen rotationssymmetrischen Energiewandler, ,der .mit einem
zweitenligen Hohlraumresonator ausgestattet ist. Der Hohlraumresonator :besteht
aus einem inneren Zylinder i und einem diesen .umgebenden äußeren Zylinder 2, die
an :den Stirnflächen 3 'und q: abgeschlossen sind und dort eine Kapazitätsstrecke
bilden. Am anderen Ende ist Ader Hohlraum durch, einen in axialer Richtung ibeweglichen
Schieber 5 abstim@rnbar. Durch eine den ringförmigen Hohlraum nur teilweise unterteilende
O_uerwand 6 wird der Hohlraum in zwei Teile getrennt, welche die Kapazitätsstrecke
gemeinsam haben -und zwei verschiedene Resonanzwellen aufweisen. In der Kapazitätsstrecke
ist eine beispielsweise als senkrecht zur Zeichenebene verlaufender Draht ausgebildete
Glühkathode 7 ausgespannt. Statt dieser kann aber auch an einer ,der Begrenzungsflächen
der Kap:azitätsstrecke eine Emissionsfläche 8 vorgesehen werden. Es ist aber :auch
möglich, an Stelle der Glühkathoide 7 einen: ungeheizten, sekundäremissionsfähigen
Draht vorzusehen bzw. die Emissionsfläche 8 als Sekundärelektronenquelle auszubilden.
Zur Einleitung ides Entladungsvorganges kann man, falls man diese nicht der Restgasiionisatjio@n
oder .der Photoemissiion .der Sekundärkathode überlassen willl, in der Nähe eine
schwache Primärelektronenquelle, z. B. eine kleine Glühkathode, als Zündkatihode
vorsehen. Die umzuformende Schwingungsenergie .mit der Frequenz col wird durch eine
Kopplungacschleife g in die Anordnung eingeführt, während ,die umgeformte Schwingung
höherer Frequenz co., beispielsweise die zweite Harmonische, imittels einer Kopplungsschleife
lo ,abgenommen wird. Sämtliche den Hohlraum ibegrenzenden Flächen erhalten eine
negative Vorspannung gegen die Kathode, so, daß der Elektronenaustritt -aus der
Kathode lediglich durch ,das. Wechselfeld während seiner positiven Spannungsscheitel
herbeigeführt werden kann. Beil der Betrachtung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes
ist idavon auszugehen, daß die Summe aus der in Form der Schwingungsenergie mit
der Frequenz co, geleisteten Arbeit A1 und der an Idas Wechselfeld mit der Frequenz
c02 abgegebenen Arbeit A2 gleich Null sein muß A1 -@- AZ - 0 Für das. an der Kapazität.sstreclce
wirksame elektrische Feld e (t) gilt die Beziehung e (t) = K, sin
m1 t + K2 sln (Co, t -f - p) , wobei K1 und K2 Konstante und 99 einen Phasenwinkel
bedeuten. Die Arbeit läßt sich berechnen als Integral des Produktes: Kraft mal Weg
über einen Zyklus ider Elektronenbahn. Dias Wegelement dx errechnet sich als Produkt
v - dt, wobei v die
Elektronengeschwindigkeit und
dt ein Zeitelement bedeuten. Da die Elektronengeschwindigkeit propürtio:nal der
Wechselspannung ist, erhält man für diese folgende Beziehung v = Cl cos Wit -E-
C2 cos (c02' + 99)
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Die Phase 9p stellt sich dabei so ein, daß auf
beiden Frequenzen dieselbe Arbeit geleistet wird. Beim Leerlauf, also wenn beispielsweise
an die Koppelschleife io ein unendlich großer Widerstand angeschlossen oder wenn
die Koppeefschleife io aus dem Hohlraum herausgezogen wird, ist die insgesamt geleistete
Arbeit gleich Null.
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In Abb. 2 ist ein Meridianschnittdurch eine Anordnung dargestellt,
die zweit aneinanderstoßende Hd!hlraumreso,natoren i i, 12 enthält, welche auf die
umzuformende Frequenz co, bzw. auf die vervielfachte Ausgangsfrequenz co, abgestimmt
sind. Die den beiden Hohlraumibegrenz.ungswänden gemein.-same Fläche 13 enthält
einen Ausschnitt 1q., in welchem eine Kathode 15 angeordnet ist. Sämtliche Begrenzungsflächen
der Hahlraumresonatoren sind wieder negativ gegen die Kathode vorgespannt. Die Elektronen
werden aus der Kathode 15 während der beschleunigenden Scheitelwerte des Schwingungsfeldes
mit der Frequenz co, herausgezogen und gegen die Bolzenfläche 16 des auf diese Schwingung
abgestimmten Resonators i i !beschleunigt. Wenn: die Schwvingungsamplitu@de abnimmt,
wandert .dieses Elektron, wieder gegen die Kathode zurück und setzt seinen Weg in
die Kapazitätsstrecke des auf die Oberschwingung o02 albgestimmten. Resonanzhohlraums
12 fort. Dadurch wird die Eigenschwingung des letztgenannten Hohlraums angeregt,
so daß Energie mit der Frequenz dieses Hohlraums mittels. der Kopplungsschleife,
17 ausgekoppelt werden kann. Das Elektron gelangt dann wieder in .dem durch die
Eingangsschwingung gegebenen Takt in den Resonanzhohlraum vi, worauf das Spiel von
neuem beginnt. Durch die periodische Wiederholung dieser Bahn bilden sich Elektronenhaufen
bis in bezug auf die Füllung des Entladungsraumes mit Elektronen ein Sättigungszustand.
erreicht ist. Die Eintauch:tiefe der Elektronen in, die beiden Resonanzhohlräume
läßt sich durch verschiedene Einstellung derSpannungen der Begrenzungsflächen, insbesondere
der Bo@lzenendflächen, regeln. Die in dem Ausschnitt 14 angebrachte Kathode 15 läßt
sich ersetzen: durch eine Aushi.ldung des: Randes des Ausschnittes als. Glüh-oder
als S,eikundärkat o,de.
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Nach grundsätzlich derselben Art arbeitet die in Abb. 3 dargestellte
Einrichtung, welche sich von der Ab!b. 2 dadurch unterscheidet, daß die Bol:zenfläche
,des .auf die höhere Frequenz abgestimmten Hohlraums 12 durchbrochen und hinter
dieser Öffnung eine -LTmkehredelctrode, 2o angeordnet ist. Auf diese Wedsie wird
erreicht, @daß die Elektronen in ,dem Resonanzhohlraum 12 nur kurze Zeit verweilen.
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Abb. 4. zeigt einen .Querschnitt durch eine Eirricht:ung mit einer
Mehrzahl von längs einer Kreisbahn angeordneten rotationssymm!etrischen Hohilraumresonatoren,
die aus mit Djurchgangs:öffnungen 21 versehenen kreisförmigen Kapazitätsflächen
z2, und einem den Induktivitätsraum begrenzenden Wulst 23 bestehen. Die nebeneinander
angeordneten Resonatoren .sind abwechselnd auf die Eingangsfrequenz co, bz,w. die
harmonische Ausgangsfrequenz w2 abgestimmt. Die Elektronen treten; aus einer Kathoide
24 aus .und werden, nachdem sie durch einte Anodenblende 25 beschleunigt worden
sind, in die kreisförrn.i(ge Bahn 26 eingeschossen, längs welcher sie :in den mit
der Schwdngung co1 gespeisten Resonanzräumen Energie aufnehmen und beschleunigt
werden, während sie in der darauffolgenden Kammer diese Energie als Wechselstromleistung
mit der Frequenz co2 wieder abgeben und auf die ursprüngliche Geschwindigkeit albgebremst
.werden. Die Elektronen werden, durch Ab:weiisplatten 27 bzw. a8, von welchen die
inneren einte gegen. die Begrenzungsflächen der Resonanzhohlräume .enger negative
Spannung führen, in d:er kreisförmigen Bahn 26 zusammengehalten, so. d,aß die Elektronen
eine praktisch unbegrenzt lange Laufzeit zurücklegen können und ein Verbrauch von
Gleichstromenergie praktisch überhaupt nicht stattfindet. Die Kathode 2.4 braucht
nur jene Elektronen nachzuliefern, welche aus der Entladungsbahn verloren;gehen.
Zur Führung :der Elektronenströmung längs der Kreisbahn kann statt -der Abweisplatten
oder zusätzlich zu ihnen, ein Magnetfeld verwendet werden.
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Abib. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Entla,dungsrich.t@ung,
.auf welche ein konstantes M.agnetfeld :in der durch, den Pfeil, H :angedeuteten
Richtung einwirkt; darunter i-st ein senkrecht zur Zeichenebene, geführter Längsschnitt
durch die Kapazitätsstrecke dargestellt. Die Zwischenwand 30 trennt zwei Resonanzhohlräume
mit den Kapazitäts@flächen 31, 32 und den I.nduktivitätshohlräumen 33, 34,
welche durch zur Zeichenfläche .senderecht stehende Erzeugende begrenzt werden.
In; der Trenrnwand, ist ein Längs.spalt 35 ausgespart, in welchem mehrere Kathoden:
36 angeordnet sind. Durch ,das Zusammenwirken des magnetischen Gleichfeldes.
und des elektrischen Schwingungsfeldes führen die Eleiktronen, ausgehend von den
Kathoden, die m-it 37 .bezeichneten kreieförmi:gen Bewegungen aus, durch welche
.sie abwechselnd aus .de-in einen Hohlraum in den anderen übertreten und auf diese
Weise Schwingungsenergie aus dem auf idie Grundschwingung abgestimmten Hohlraum
in dem auf die Oberschwingung abgestimmten Höhlrnum Übertragen wird. ir-is ist auch
möglich, die Bolzenfläche 31 als Kathode auszubilden, wobei die Kafhode 36
wegfällt und die Elektronen die mit 3o bezeichneten zykloidenförmigen Bahnen durchlaufen.
Die genannten Kathoden können wiederum Primär- oder Sekundärkathoden sein.
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Falls in dem auf die Ausgangsfrequenz c02 aibgestimmten Hohlraum auch
ein Wechselfeld der Eingangsfrequenz c.), in merklicher Stärke auftreten sollte
und daher Schwingungsenergie der Eingangsfrequenz .ausgekoppelt werden würde, kann
man frequenzselektive Auskoppeleinrichtungen verwenden,
idie auf
(t)2 abgestimmt sind und z. B. aus einer mit der Auskoppelschleife verbundenen:
Hohlrohrleitung bestehen.
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Es wurde mehrfach erwähnt, @daB die Begrenzungsflächen der Hohlraumresonato:ren
eine negative Vo:rspannung gegen die Kathode erhalten sollen. Diese kann :in ähnlicher
Weise wie beim Audion durch die Elektronenströmung erzeugt wenden, indem man :di:e
Wand: des. Hohlraumresonators über einen AbleitwIderstan:d mit der Kathode verbindet;
die die Wand treffenden Elektronen erzeugen an dem Ableitwiderstanid die gewünschte
Vorspannung.