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Elektronenröhre zur Frequenzvervielfachung für sehr kurze Wellen Die
Erfindung betrifft eine Röhre zur Frequenz vervielfachung nach dem Prinzip der Wanderfeldröhren.
Der Mechanismus dieser Röhren beruht bekanntlich auf dem Vorgang, daß eine Elektronenströmung
im Felde einer fortschreitenden Welle läuft, wobei die Geschwindigkeit der Elektronen
gleich oder angenähert gleich der Phasengeschwindigkeit der Welle ist. Durch die
Wechselwirkung zwischen Elektronenströmung und elektrischem Feldvektor "der Welle
entsteht eine Verstärkung, d. h. längs des gemeinsamen Weges von Welle und Strömung
wird die dem Röhreneingang durch einen angeschlossenen Generator zugeführte Hochfrequenzleistung
verstärkt, die Amplitude und die Leistung der Welle steigen auf Kosten der kinetischen
Energie der Elektronen längs dieses Weges exponentiell an. Zugleich damit entsteht
auch ein exponentiell ansteigender Elektronenwechselstrom der Frequenz des Generators
in der Röhre. Die verstärkte Welle wird bei diesem Vorgang durch eine Leitung geführt.
Diese Leitung hat die Eigenschaft, die Welle gegenüber ihrer Ausbreitung im freien
Raum so zu verzögern, wie dies zur Erzielung der Gleichheit von Elektronen- und
Phasengeschwindigkeit erforderlich ist.
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Es ist bekannt, solche Röhren durch Übersteuerung, d. h. durch Ausnutzung
des bei großen Eingangssignalen vorhandenen nichtlinearen Zusammenhanges von Aus-
und Eingangsleistung, zur Frequenzvervielfachung auszunutzen. Wie jeder nichtlineare
Steuervorgang hat auch die Übersteuerung dieser Röhre die Entstehung von Oberwellen
im Elektronenstrom. am Ausgang zur Folge.
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Diese Ausnutzung einer Lauffeldröhre mit einer einzigen Verzögerungsleistung
zur Frequenzvervielfachung hat jedoch den Nachteil sehr geringen Wirkungsgrades,
d. h. das Verhältnis der Oberwellenleistung zur Steuerleistung ist klein. Dem Wunsche,
eine
Anordnung zu schaffen, die schon gleich die Oberwellen verstärkt abzunehmen gestattet,
trägt die Erfindung Rechnung. Die Erfindung besteht darin, daß zur Erhöhung des
Wirkungsgrades in Richtung des Weges der Elektronenströmung mehrere Leitungen verschiedener
Form oder Bauart vorgesehen sind. Die wellenführende Anordnung kann in zwei oder
mehr im Zuge der Elektronenströmung hintereinander angeordnete Systeme aufgeteilt
sein, wobei das erste System aus einem die Grundfrequenz bevorzugenden Leiter, vorzugsweise
aus einem Leiter mit Filtereigenschaften für die Grundfrequenz, und das folgende
System bzw. die folgenden Systeme als solche für die gewünschten Oberwellen ausgebildet
sind. Die geometrischen Abmessungen der Systeme werden zweckmäßig entsprechend der
verschiedenen Betriebsfrequenzen unterschiedlich gewählt. Es empfiehlt sich, die
Systeme galvanisch voneinander zu trennen, um an dieselben unterschiedliche Gleichspannungen
anlegen zu können. Auf diese Weise ist es möglich, für die jeweiligen Betriebsfrequenzen
in den einzelnen Systemen optimale Spannungsbedingungen zu schaffen.
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Es ist in manchen Fällen zweckmäßig, die beiden Leitungen mit unterschiedlichen
Dimensionen zu einer baulichen Einheit zu vereinigen. Dies ist insbesondere dann
möglich, wenn die Abmessungen der verschiedenen Leitungen trotz der verschiedenen
Frequenzen so gewählt sind, daß ihre optimalen Betriebsspannungen gleich oder angenähert
gleich sind.
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Die wellenführenden Anordnungen können in an sich bekannter Weise
ausgebildet sein. Es können Drahtwendeln verwendet werden, denen dann durch geeignete
Querschnittform Bandpaßeigenschaften gegeben werden. Es kann auch zweckmäßig sein,
Kettenleiter od. dgl. vorzusehen, bei denen einzelne Elementarvierpole in Elektronenstrahlrichtung
hintereinander angeordnet sind. Solche Leitungen mit Filterstruktur sind z. B. durch
Blenden beschwerte Hohlrohrleitungen oder auch koaxiale Leitungen, bei denen Innen-
oder Außenleiter mit Vertiefungen versehen sind, um die erforderliche Verzögerung
der Welle gegenüber der Lichtgeschwindigkeit zu erzielen. Die Abmessungen der Elementarvierpole
der einzelnen Leitungen können gegebenenfalls hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessung
um ein geringes voneinander unterschiedlich bemessen sein, um die gewünschte Bandpaßcharakteristik
zu erzielen.
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Der erwähnte geringe Wirkungsgrad der Frequenzvervielfachung bei Wanderfeldröhren
mit einer einzigen Leitung beruht auf folgender Tatsache: Jede Leitung, die zur
Führung der Welle dient, hat stets einen mehr oder weniger ausgeprägten selektiven
Charakter. Dies bedeutet: Die Wechselwirkung zwischen der Elektronenströmung und
dem Feld der von der Leitung geführten Welle ist frequenzabhängig. Die Verstärkung
einer Welle durch die Elektronenströmung ist eine Funktion von Phasenkonstante
und von den geometrischen Abmessungen der Verzögerungsleitung. In obiger Beziehung
bedeuten (v = 2 :v f die Kreisfrequenz, P die Phasengeschwindigkeit
der von der Welle geführten Leitung, c die Lichtgeschwindigkeit, A, die Wellenlänge
der zu verstärkenden Frequenz im Vakuum. Bei der in Wanderfeldröhren viel benutzten
Leitungsform, einer kreiszylindrischen Wendel mit dem Radius a, ist z. B. die Verstärkung
G eine Funktion von ß a, und sie hat als Funktion von ß a, d. h. als Funktion
der Frequenz, etwa den Verlauf, wie er schematisch in Fig. i gezeichnet ist. Bei
etwa ß a = 1,3... 1,8 hat die Wechselwirkung von Wellen und Elektronenströmung
ein Maximum. Entsprechend dem Sprachgebrauch pflegt man dies so auszudrücken, daß
man sagt, die Kopplung von Welle und Elektronenströmung ist frequenzabhängig und
besitzt ein Maximum. In Fig. i sei nun z. B. f1 die Frequenz des an den Eingang
der zur Frequenzvervielfachung dienenden Röhre angeschalteten Generators. Wie aus
der Kurve i ersichtlich ist, besteht dann für die Harmonischen 2 f 1, 3 f,
usw. nur noch eine geringe Wechselwirkung zwischen Welle und Elektronenströmung;
entsprechend sind Feldstärke und Leistung der Welle der Harmonischen, die durch
Übersteuerung entstehen, gering, der Wirkungsgrad der Oberwellenleistung klein.
Erfindungsgemäß wird dieser Wirkungsgradverbessert, indem hinter der ersten Leitung
in Richtung der Elektronenströmung eine zweite angeordnet wird. Diese hat durch
geeignete Wahl der Abmessungen und der Betriebsspannung für die Kopplung G als Funktion
der Frequenz einen Verlauf, wie er in Fig. i durch die gestrichelt gezeichnete Kurve
2 angedeutet ist. Es ist evident, daß durch die bei dieser sehr viel stärkeren Kopplung
für die zweite Harmonische die Feldstärke und damit die Leistung der Welle mit der
Frequenz 2 f1 (Frequenzverdopplung) wesentlich größer ist. Würde man die Abmessungen
dieser zweiten Leitung bereits für den Eingang der Röhre gewählt haben, so würde,
wie ersichtlich, die Kopplung für die Frequenz f1 sehr klein sein, d. h. die Steuerleistung
sehr hoch. Die Kombination mehrerer hintereinanderliegender Leitungen mit jeweils
optimaler Kopplung für eine Oberwelle hat also den Vorteil hohen Wirkungsgrades
und hoher Verstärkung, wobei unter Verstärkung das Verhältnis der Ausgangsleistung
der Oberwelle zur Steuerleistung der Grundwelle zu verstehen ist. Die strichpunktierte
Kurve 3 gilt schließlich noch für eine Leitung, die für die dritte Oberwelle bemessen
ist.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens möge folgende Beschreibung
der physikalischen Vorgänge dienen: Die Röhre wird am Eingang der ersten Leitung
durch einen Generator der Frequenz f1 erregt und so stark ausgesteuert, daß der
Wechselwirkungsmechanismus zwischen Strahl und Welle nichtlinear wird. Es entstehen
dann im Elektronenstrom und in der Welle Komponenten der Frequenzen 2f1, 3f1, 4f1
usw. Die Feldstärke der Welle enthält um so stärker diese Komponenten, je stärker
die Kopplung von Welle und Elektronenströmung ist. Ist dagegen die Kopplung im.
Grenzfall Null, so enthält zwar der Elektronenwechselstromdiese Oberwellen, nicht
j edoch 1 die von der Leitung geführte Welle, so daß man dem
Wellenfeld
in diesem Fall gar keine Oberwellenleistung entziehen kann, Schließt man nun an
die erste Leitung mit geringer Kopplung für die gewünschte Oberwelle u f 1
(u = ganze Zahl) eine zweite Leitung mit hoher Kopplung für diese Oberwelle ufl
an, so erregt der Elektronenstrom der Frequenz u f 1, der in diese zweite
Leitung eintritt, in dieser ein Wellenfeld der Frequenz u f i, das im Zuge
der zweiten Leitung durch Wechselwirkung mit dem Elektronenwechselstrom verstärkt
wird. Anfangsamplitude des Wellenfeldes und Verstärkung sind um so höher, je stärker
die Kopplung ist.
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Bei Wendeln führt die Erreichung optimaler Kopplung angenähert zur
Bedingung, daß ß a = 1,6 sein soll. Hat man also z. B. für die Eingangsfrequenz
1o' Hz (# = 30 cm) und eine Elektronengeschwindigkeit, die angenähert gleich
der Phasengeschwindigkeit der Welle sein muß, entsprechend 16oo V, so folgt daraus
P/c = 1/r2,5, also
Die Bedingung ß a = 1,6 wird damit durch einen Wendelradius von
erfüllt. Soll für die zweite Oberwelle wiederum ß a = 1,6 sein, so folgt
daraus
also für @ = 30 cm, 2./2 = 15 cm die Bedingung
Dies kann man entweder bei gleicher Betriebsspannung, d. h. gleichem Verhältnis
c/p durch verkleinerten Wert des Wendelradius a = 0,3 cm erreichen oder auch bei
anderen Werten c/p und damit anderen Betriebsspannungen (möglich bei entsprechender
Wendelsteigung) und entsprechenden Werten von a (z. B. c/p = g,
a = o,43 cm). Analoge Bedingungen gelten, wenn man nicht die Oberwelle 2
f1, sondern andere Oberwellen 3 f1, 4f, usw. erzeugen will. Dabei soll die Erfindung
nicht auf die Einhaltung dieser quantitativen Dimensionierungsbedingungen, die nur
roh und in großer Annäherung gelten, beschränkt sein, sondern allgemein darauf,
daß sich hinter der Leitung, an die der Generator angekoppelt ist, eine oder mehrere
andere Leitungen befinden, in denen für je eine zu erzeugende Oberwelle die Kopplung
der Welle an die Elektronenströme fester bzw. stärker ist als in der Eingangsleitung
für die Oberwelle.
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Die Erfindung ist ferner keineswegs auf die Verwendung von Wendeln
als Verzögerungsleitungen beschränkt. Sie bezieht sich auf beliebige Formen von
Leitungen mit Filterstruktur (Fig.2). Solche Leitungen besitzen Bandpaßcharakter,
d. h. ihr Durchlaßbereich ist im allgemeinen so schmal, daß bei Steuerung mit der
Frequenz f1 Oberwellen der Frequenzen ufl überhaupt nicht mehr in ihrem Durchlaßbereich
liegen. Wohl entstehen entsprechend der obigen Erläuterung Elektronenströme der
Frequenzen n f 1, durch die dann in den auf die Eingangsleitung folgenden
Leitungen bei entsprechender Lage von deren Durchlaßbereich Wellen der Frequenzennfl
angeregt werden, deren Leistung jeweils aus einzelnen Leitungen ausgekoppelt werden
kann. Die erforderliche Lage des Durchlaßbereichs dieser Verzögerungsleitungen mit
Filterstruktur kann durch geeignete Dimensionierung der Leitungen und Anlagen geeigneter
Gleichspannungen gegen die Kathode erzielt werden.
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Die Verwendung solcher Filterleitungen hat weiterhin den Vorteil,
daß jede Leitung praktisch nur Leistung der Harmonischen erzeugt, für die sie dimensioniert
ist, da der Durchlaßbereich meist so schmal ist, daß in ihm nur eine Harmonische
liegt. Es tritt also zugleich eine Filterwirkung für die nicht erwünschten Harmonischen
auf. Für die optimale Dimensionierung lassen sich keine so einfachen optimalen Bedingungen
angeben wie die obengenannte angenäherte Bedingung für die Wendel. Auch hier soll
wiederum für das Prinzip der Erfindung gelten, daß in der Leitung, die zur Erzeugung
der Oberwellen dient, für diese Oberwellen die Kopplung von Welle und Elektronenströmung
fester ist als in der an den Steuergenerator angekoppelten Leitung für die gleiche
Oberwelle.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung
wesentlichen Teilen in vereinfachter Darstellung schematisch veranschaulicht. Es
handelt sich dabei um eine Röhre, bei der in Richtung des Elektronenstromes zwei
Leitungssysteme hintereinanderliegen. Der Elektronenstrahl 4 wird durch eine Elektronenkanone
erzeugt. Die Kathode ist mit 5 bezeichnet, eine Fokussierungselektrode 6 und eine
Voranode 7 sind derselben vorgelagert. Der Elektronenstrah14 durchläuft die beiden
Leitungssysteme 8 und g. Gegebenenfalls können hier noch weitere Leitungen vorgesehen
sein, die sich in Strahlrichtung hinter der Leitung g an dieselbe anschließen. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Leitungen schematisch als Verzögerungsleitungen
in Form von Hohlrohrleitungen mit äquidistanten Blenden dargestellt. An den Eingang
der ersten Leitung 8 wird der Generator 1o mit der Frequenz f1 angekoppelt, an den
Ausgang der Verbraucher 11 für die Leistung der Frequenz sf, Die Leitungen sind
so dimensioniert und an solche Gleichspannungen gelegt, daß in jeder derselben für
die gewünschte Frequenz Kopplung und Verstärkung groß sind. Dies bedeutet: In der
zweiten Leitung g ist die Verstärkung für die gewünschte Harmonische u f
l höher als für diese Frequenz u f l in der Steuerleitung B. Analoges
gilt für evtl. weitere im Zuge der Röhre liegende Leitungen, die hinter der Leitung
g, in Richtung des Elektronenstrahls gesehen, liegen.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Form der Leitungen entsprechend
Fig.3. Beliebige Leitungsformen können benutzt werden. Sie ist ferner auch anwendbar
auf Röhren vom Typ des Wanderfeldmagnetronverstärkers, bei der die Verstärkung der
Welle in elektrostatischem Querfeld und dazu senkrechtem, zeitlich konstantem magnetischem
Querfeld erfolgt.
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Es ist zur Unterdrückung der Selbsterregung vielfach erforderlich,
jede einzelne der Leitungen in der
Röhre zu dämpfen. Diese Maßnahme
ist bei normalen Verstärkerröhren vom Typ der Wanderfeldröhren bekannt und bedarf
daher hier keiner besonderen Erläuterung.
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Es ist möglich, die verschiedenen Leitungen mit verschiedenen Dimensionen
zu einer baulichen Einheit zu vereinigen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn
die Abmessungen der verschiedenen Leitungen trotz der verschiedenen Frequenzen so
gewählt sind, daß ihre optimalen Betriebsspannungen gleich oder angenähert gleich
sind. Vielfach muß man jedoch an die einzelnen Leitungen verschiedene Betriebsspannungen
legen, d. h. den Elektronen in ihnen verschiedene Geschwindigkeiten erteilen. Dann
läßt sich eine bauliche Einheit aus verschiedenen Leitungen nur durch potentialmäßige
Trennung mit Hilfe von isolierenden Zwischenstücken herstellen.