DE907426C - Wanderfeldroehre mit inhomogener Verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenröhre vom Typ der Wanderfeldröhren zur Verstärkung von Signalen sehr hoher Frequenzen, insbesondere für das Gebiet der Dezimeter-, Zentimeter- und Millimeterwellen. Man versteht bekanntlich unter Wanderfeldröhre eine solche Röhre, bei der eine Elektronenströmung sich im Feld einer fortschreitenden Welle bewegt, wobei eine Verstärkungswirkung bei angenäherter Gleichheit von Geschwindigkeit der Elektronenströmung und Phasengeschwindigkeit der fortschreitenden elektromagnetischen Welle erzielt wird. Der gebräuchlichste Typ der Wanderfeldröhre ist die sogenannte Traveling-Wave-Röhre mit einer Verzögerungsleitung in Form einer zylindrischen Wendel, bei der ein zylindrischer Elektronenstrahl axial diese Wendel durchsetzt. Neben dieser Form der Wanderfeldröhren existieren andere Formen, bei denen andere Arten von Verzögerungsleitungen an Stelle einer Wendel verwendet werden. Es ist bekannt, z. B. die Wendel durch eine zylindrische Hohlrohrleitung zu ersetzen, die durch periodisch im Zuge der Leitung eingeschaltete Blenden die Eigenschaft besitzt, eine sich axial fortpflanzende elektromagnetische Welle so zu verzögern, daß die obengenannte Bedingung für die Verstärkung, d. h. Erzielung angenäherter Gleichheit von Elektronengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit der fortschreitenden Welle, erfüllt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wanderfeldröhre mit einer solchen Form der Verzögerungsleitung oder ganz allgemein auf eine Wanderfeldröhre mit einer Verzögerungsleitung, die den Charakter einer Filterkette hat. Verzögerungsleitungen mit dem Charakter von Filterketten unterscheiden sich von homogenen Verzögerungsleitungen, z. B. Wendeln, dadurch, daß sie eine endliche obere Grenzfrequenz haben, d. h. es existiert nur ein endlicher Frequenz-

bereich, in dem eine Welle sich ohne Dämpfung in der Leitung fortpflanzen kann.

Die Erfindung beschränkt sich übrigens nicht auf Wanderfeldröhren vom Typ der Traveling-Wave-Röhre, sondern bezieht sich auch auf Verstärkerröhren vom Typ des Traveling-Wave-Magnetröns, bei dem die Verstärkung in einem Entladungsraum erfolgt, bei dem transversale, getrennte elektrostatische und zeitlich konstante Magnetfelder existieren.

ίο Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen die folgenden Ausführungen über Eigenschaften solcher Verzögerungsleitungen mit Filterstruktur oder, wie sie einfacher genannt werden, inhomogener Verzögerungsleitungen. Wenn an den Eingang einer solchen Verzögerungsleitung ein Generator definierter Kreisfrequenz ω angekoppelt wird, so erregt sich in ihr nicht eine einzige Welle, sondern es entsteht eine Vielzahl von Wellen. Die so entstehende Wellengruppe besitzt einheitliche Gruppen-

ao geschwindigkeit; die verschiedenen Wellen haben jedoch verschiedene Phasengeschwindigkeit, wobei natürlich die Frequenz der verschiedenen Wellen für alle diese identisch ist. Die Theorie der inhomogenen Verzögerungsleitung zeigt, daß die Phasenkonstanten β der einzelnen Wellen durch den Ausdruck

ψθ

ßn =

gegeben ist, wobei in der sich fortpflanzenden Wellengruppe alle Wellen vorhanden sind, mit dem Index η von -— 00 bis η -f- 00. In diesem Falle ist L die Länge des Elementarvierpols, d. h. in einer Leitung entsprechend Fig. ι der Abstand der Blenden in der beschwerten, zylindrischen Hohlrohrleitung. ^₀ ist die Phasenverschiebung für die Welle mit dem Index η = ο auf dem Wege L, d. h. innerhalb eines Elementarvierpols. Man bezeichnet die Welle mit dem Index η = ο als Fundamentalwelle, die Wellen mit dem Index η = + ι, + 2, + 3 ... bis + 00 und η = —ι, — 2, — 3 ... bis — 00 als Sekundärwellen. Die Gesamtzahl aller sich in einer inhomogenen Verzögerungsleitung fortpflanzenden Wellen werden als Hartree-Harmonische oder auch Teilwellen bezeichnet. Dabei ist ausdrücklich zu bemerken, daß es sich hierbei nicht um Harmonische im Sinne üblichen Sprachgebrauches handelt; wie gesagt, haben alle Wellen die gleiche Frequenz und gleiche Gruppengeschwindigkeit, jedoch verschiedene Phasengeschwindigkeiten. Entsprechend der Tatsache, daß Phasenkonstante und Phasengeschwindigkeit einer Welle durch die Beziehung

φ- °± ^P~ ß

verknüpft sind, erhält man also für die Phasengeschwindigkeit der einzelnen Teilwellen den Ausdruck

Vn η

Pn

Ψο_

J,

Die Teilwellen mit dem Index η = ο, d. h. die Fundamentalwelle, besitzt die größte Phasengeschwindigkeit p₀. Die Phasengeschwindigkeit ist dem Betrage ; nach um so kleiner, je höher der Index η ist.

! Die Erfindung bezieht sich auf eine Wanderfeldröhre, bei der für die Verstärkung der Elektronenströmung mit einer Teilwelle mit dem Index η = ο ausgenutzt wird. Wie bereits gesagt, erfordert die Verstärkung Gleichheit von Phasengeschwindigkeit einer der Teilwellen und der Elektronenströmung. Es hat sich nun gezeigt, daß es möglich ist, durch Ausnutzung einer der Sekundärwellen für diese Verstärkung eine Röhre zu bauen, die sich durch besonders geringe Frequenzabhängigkeit der Verstärkung, d. h. durch besonders große Bandbreite, auszeichnet. Diese Tatsache sei an Hand der Fig. 2 erläutert. Die Fig. 2 zeigt über der Kreisfrequenz ω den Verlauf der Phasengeschwindigkeit p_n, und zwar sind hier zwei Kurven dargestellt, von denen die Kurve 1 für 11 = 0, Kurve 2 für η = -f-i gilt. Wir sehen aus diesen Kurven, daß in Abhängigkeit von der Frequenz sich die Phasengeschwindigkeit der Fundamentalwelle η = ο sehr viel stärker ändert als die der Sekundärwelle mit η = -f-1 (Kurve 2). Bei Anwendung solcher Verzögerungsleitungen zum Bau einer Wanderfeldröhre ändert sich damit in Abhängigkeit von der Frequenz bei Wechselwirkung zwischen Elektronenströmung und Fundamentalwelle η = ο die Verstärkung in sehr viel stärkerem Maße als bei Ausnutzung der Wechselwirkung zwischen Sekundärwelle und Elektronenströmung zur Erzielung des Verstärkungseffektes. Ist doch für die Fundamentalwelle die Bedingung angenäherter Gleichheit von Elektronengeschwindigkeit und Phasengesehwindigkeit der fortschreitenden Welle in einem sehr viel kleineren Frequenzbereich erfüllt, als dies für die Sekundärwelle η = -j-i der Fall ist. Insbesondere ist wesentlich, daß laut Fig. 2 bei der Sekundärwelle die Phasengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz ein Maximum im Punkt A besitzt, so daß also in der Umgebung dieses Maximums die Phasengeschwindigkeit sich nur sehr wenig mit der Frequenz ändert. Es ist einleuchtend, daß bei geeigneter Wahl der Betriebsbedingungen, d. h. wenn die Elektronengeschwindigkeit so gewählt wird, daß sie angenähert gleich der Phasengeschwindigkeit der Sekundärwelle im Punkt A ist, dann über einen weiten Frequenzbereich Phasengeschwindigkeit der Sekundärwelle und Elektronengeschwindigkeit angenähert gleich sind, so daß also über einen weiteren Frequenzbereich die Bedingung optimaler Verstärkung der Röhre durch Ausnutzung der Sekundärwelle erfüllt werden kann.

Die Fig. 2 stellt das Ergebnis der Untersuchung einer speziellen Form einer inhomogenen Verzögerungsleitung dar. Es hat sich gezeigt, daß man dieses Ergebnis jedoch weitgehend verallgemeinern und daß man zu folgender Aussage gelangen kann: In inhomogenen Verzögerungsleitungen, d. h. Verzögerungsleitungen mit Filterstruktur, besitzt die Fundamentalwelle praktisch stets eine starke Dispersion, d. h. eine starke Abhängigkeit ihrer Phasengeschwindigkeit von der Frequenz. Es existieren jedoch in inhomogenen Verzögerungsleitungen stets Teilwellen mit Phasengeschwindigkeiten, die dem Betrage nach kleiner sind als die Phasengeschwindigkeit der Fundamentalwelle bei gegebener Frequenz und für die die Frequenz-

abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit außerdem viel geringer ist als bei der Fundamentalwelle. Insbesondere besitzen diese Sekundärwellen offenbar stets die Eigenschaft, daß ihre Phasengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz ein schwach ausgeprägtes Extremum besitzt, in dessen Umgebung also die Phasengeschwindigkeit nur geringfügig von der Frequenz abhängt.
Die Erfindung sieht nun ganz allgemein vor, in

ίο Wanderfeldröhren eine Sekundärwelle für die Wechselwirkung mit der Elektronenströmung zu benutzen, und zwar derart, daß durch geeignete Einstellung der Betriebsbedingungen als Arbeitsgebiet die Umgebung eines Maximums oder Minimums der Phasengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz dient. Auf Grund der obengenannten Ausführungen ist es verständlich, daß eine solche Röhre eine wesentlich höhere Bandbreite besitzt als eine Röhre, die auf der Wechselwirkung zwischen Fundamentalwelle mit starker Dispersion und der Elektronenströmung beruht. Durch Ausnutzung der Sekundärwelle wird es möglich, an Stelle homogener Verzögerungsleitungen, z. B. Wendeln, inhomogene Verzögerungsleitungen in Wanderfeldröhren zu benutzen, ohne daß dadurch die Bandbreite der Röhre wesentlich beeinträchtigt wird. Die Verwendung inhomogener Verzögerungsleitungen in Wanderfeldröhren hat aber z. B. gegenüber der Verwendung einer Wendel den Vorteil, daß sie wesentlich besser für die Erzeugung hoher Mikrowellenleistungen geeignet sind. Inhomogene Verzögerungsleitungen können im Gegensatz zu Wendeln so gebaut werden, daß sie eine wesentlich höhere Verlustleistung zulassen, da zu ihrem Aufbau massive Bauelemente verwendet werden können (Kupferrohre, Kupferscheiben usw.).

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Wanderfeldröhre mit inhomogener Verzögerungsleitung, vorzugsweise in Form einer Filterkette, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um eine Sekundärwelle der fortschreitenden Welle derart in Wechselwirkung mit einer Elektronenströmung zu bringen, daß durch geeignete Einstellung der Betriebsbedingungen als Arbeitsgebiet die Umgebung eines Maximums oder Minimums der Phasengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz dient.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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