DE904782C - Einrichtung zur Verstaerkung von elektrischen Schwingungen des Mikrowellengebietes - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung

zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen des Mikrowellengebietes, worunter hier das Gebiet der kürzeren Dezimeterwellen und der Zentimeterwellen verstanden sei.

An derartigen Einrichtungen sind bisher verschiedene Varianten der sogenannten Wanderwellenröhre sowie. ein nach dem Klystronprinzip arbeitender Verstärker bekanntgeworden. In einer ίο Einrichtung der erstgenannten Art tritt die einer Verzögerungsleitung entlang laufende elektromagnetische Welle mit einem in gleicher Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit laufenden Elektronenstrahl in Wechselwirkung. Es ist auch bekannt, durch Verwendung eines Magnetfeldes in einer derartigen Einrichtung die Elektronen auf zykloidenförmige Bahnen zu zwingen, welche zwischen der Verzögerungsleitung und einer parallel dazu angeordneten Leitelektrode verlaufen. In der nach dem Klystronprinzip arbeitenden Verstärkungseinrichtung wird durch einen Resonator von der unter der Bezeichnung Rumbatron bekannten Art, dem die zu verstärkende Schwingung zugeführt wird, ein Elektronenstrahl in seiner Geschwindigkeit moduliert. In einem gewissen Abstand hinter dem Resonator tritt dann eine mehr oder weniger aus-

geprägte Elektronenpaketierung auf und erregt einen hier angebrachten Resonator gleicher oder ähnlicher Bauart. Die Paketierung kann verbessert werden, indem zwischen die beiden genannten Resonatoren noch weitere Resonatoren gleicher oder ähnlicher Art eingefügt werden, welche, vom Elektronenstrahl angeregt, frei schwingen und deren Eigenfrequenz bestimmten Bedingungen genügt.

Die Verstärkungseinrichtung gemäß der Erfindung beruht auf der Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Mehrzahl von ringförmigen Hohlraumresonatoren. Die Einrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß die Resonatoren, deren Eigenfrequenz wenigstens annähernd IS mit der Frequenz der zu verstärkenden Schwingung übereinstimmt, mit gemeinsamer Achse in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, wobei dem ersten Resonator der Reihe die. zu verstärkende Schwingung über Ankopplungsmittel zugeführt und dem letzten Resonator die verstärkte Schwingung durch ähnliche Mittel entnommen wird. Nahe dem ersten Resonator ist eine Kathode angeordnet, und es sind Mittel vorgesehen, welche die emittierten Elektronen in Richtung der Achse beschleunigen as und führen. Nahe dem letzten Resonator ist eine Auffangelektrode für die Elektronen angebracht. Es wird schließlich ein Magnetfeld aufrechterhalten, dessen Kraftlinien parallel zur Achse der Einrichtung verlaufen und mindestens den Raum innerhalb der achsennahen zylindrischen Wände der Resonatoren erfüllen.

Die Erfindung sei nun an Hand der Fig. 1 und 2 näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen einzelnen Resonator. Seine achsennahe zylindrische Wand ist durch einen zickzackförmig verlaufenden, in sich geschlossenen Schlitze in zwei Teile getrennt, von denen jeder eine Gruppe von zahnartigen Segmenten O₁ bzw. b% bildet. Die Fig. 2 zeigt als Beispiel eine erfindungsgemäße Einrichtung im Längsschnitt. Sie enthält, voneinander durch Zwischenräume entkoppelt, drei Resonatoren C₁, C₂ und c_&, die Ankopplungsmittel d_x und d_z, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Koppelschleifen ausgebildet sind, die Kathoden, die Beschleunigungselektrode Z₁ als Mittel zur Beschleunigung der Elektronen in Richtung der Achse, die Leitelektrode/₂ zur Führung der Elektronen und die Auffangelektrode g zur Aufnahme der Elektronen nach ihrem Durchlauf durch die Einrichtung. Die Pfeile h bezeichnen die Richtung des durch nicht gezeichnete Mittel aufrechterhaltenen Magnetfeldes.

Im Betrieb werden die Resonatoren, die Beschleunigungselektrode und die Auffangelektrode auf bezüglich der Kathode positiven Potentialen gehalten, die Leitelektrode ungefähr auf Kathodenpotential. Die Leitelektrode ist mit Vorteil als: Drahtwendel ausgebildet, wobei die Drahtlänge für jeden Resonator, innerhalb dessen sich die Leitelektrode erstreckt, mindestens gleich der halben Wellenlänge der zu verstärkenden Schwingung beträgt. Auf diese Weise wird eine Kopplung zwischen den einzelnen Resonatoren über die Leitelektrode vermieden, da diese in ihrer Längsrichtung eine große Impedanz aufweist.

In Erläuterung der Wirkungsweise sei zunächst angenommen, daß die axiale Geschwindigkeit der Elektronen so gering sei, daß diese sich während langer Zeit im ersten Resonator aufhalten. Die An-Ordnung wird so zum Schwingungserzeuger und arbeitet, wenn die übrigen Resonatoren als nicht vorhanden betrachtet werden, als Magnetronoszillator. Die Elektronen bewegen sich dabei auf zykioidenförmigen Bahnen um die Leitelektrode herum, und die Wechselwirkung zwischen ihrer Bewegung und den an den Resonatorsegmenten auftretenden hochfrequenten Wechselspannungen bewirkt eine Fokussierung der Elektronen, d. h. es bilden sich bewegte Elektronenpakete.

Wird nun die axiale Geschwindigkeitskomponente der Elektronen vergrößert, so verbleiben sie für eine kürzere Zeit im ersten Resonator. Bei einer bestimmten Axialgeschwindigkeit werden die Elektronen wohl durch die an den ersten Resonator gelegte elektrische Schwingung zu einem gewissen Grad fokussiert; es findet jedoch keine Aufschaukelung der Amplitude der Hohlraumschwingungen bis zur Selbsterregung statt. Die Elektronenpakete verlassen vielmehr den ersten Resonator und treten in den Bereich des zweiten über. Hier verstärkt sich die Fokussierung weiter; die Aufenthaltszeit der Elektronen im zweiten Resonator wird jedoch wiederum so kurz bemessen, daß eine Selbsterregung auch hier nicht eintreten kann.

Schließlich erreichen die Elektronenpakete den dritten Resonator, in welchem sie ihre Energie an den über die Kopplungsmittel daran angekoppelten Verbraucher abgeben.

Die Einstellung der günstigsten Axialgeschwindigkeit, welche gerade noch, nicht die Selbsterregung eines Resonators zur Folge hat, geschieht durch passende Wahl des an der Beschieunigungselektrode liegenden Potentials,

Eine Vervollkommnung der genannten Einrichtung wird durch das Einfügen weiterer Beschleunigungselektroden in einen oder mehrere Zwischenräume zwischen den einzelnen Resonatoren erreicht. Diese weiteren Beschleunigungselektroden können einfache metallene Scheiben mit einer kreisförmigen Öffnung sein, deren Durchmesser ungefähr dem Durchmesser der achsennahen Zylinderwände der Resonatoren entspricht. Diese zusätzlichen Elektroden ermöglichen >es, durch passende Wahl der an sie angelegten Potentiale die Zeit, während der die Elektronen sich in einem Resonator aufhalten, für jeden 'Resonator getrennt einzustellen. Dies ist darum wichtig, weil die Selbsterregungsbedingungen in den einzelnen Resonatoren verschieden sind, besonders wegen den Eigenschaften der in einigen von ihnen vorhandenen Kupplungsmittel und der mit diesen verbundenen äußeren Stromkreise. Der Verstärkungsgrad einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer gegebenen Anzahl von Resonatoren erreicht, wie leicht einzusehen, dann sein Maximum, wenn jeder Resonator für sich in einem unmittelbar

vor der Selbsterregung befindlichen Zustand arbeitet.

Es sei noch bemerkt, daß im ersten Resonator einer erfindungsgemäßen Einrichtung durch Selbsterregung Schwingungen erzeugt werden können, welche in den folgenden Resonatoren verstärkt werden. Man erreicht so eine Isolierung des Oszillators vom Verbraucher und verhindert Rückwirkungen von Änderungen der Verbraucherimpedanz auf ίο den Oszillator. Bei einer derartigen Verwendung der Einrichtung können natürlich die mit dem ersten Resonator verbundenen Kopplungsmittel fortgelassen werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen des Mikrowellengebietes, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von nahezu geschlossenen ringförmigen Hohlraumresonatoren, welche, voneinander durch Zwischenräume entkoppelt, mit gemeinsamer Achse hintereinander in Reihe angeordnet sind und deren der Achse zugewandte zylindrische Wände durch je einen in sich geschlossenen, zickzackförmig verlaufenden Schlitz in je zwei Gruppen von zahnartigen Segmenten geteilt sind, durch Mittel zur Einführung der zu verstärkenden Schwingung in den ersten Resonator der Reihe, durch ähnliche Mittel zur Entnahme der verstärkten Schwingung aus dem letzten Resonator der Reihe, durch eine nahe beim ersten Resonator befindliche Kathode, eine nahe dem letzten Resonator befindlichen Auffangelektrode und Mittel zur Beschleunigung und Führung der Elektronen in axialer Richtung und durch ein achsenparallel verlaufendes Magnetfeld, welches mindestens den Raum innerhalb der achsennahen Wände der Resonatoren erfüllt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Beschleunigung der Elektronen in axialer Richtung mindestens eine Beschleunigungselektrode enthalten, welche nahe der Kathode angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Beschleunigungselektrode in mindestens einem Zwischenraum zwischen je zwei Resonatoren angeordnet ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Führung der Elektronen eine Leitelektrode enthalten, welche sich in Richtung der Achse der Resonatoren erstreckt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelektrode aus einer Drahtwendel besteht, wobei die Drahtlänge für jieden Resonator, innerhalb dessen sich die Leitelektrode erstreckt, mindestens gleich der halben Wellenlänge der zu verstärkenden Schwingung ist.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 714081.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen