DE909706C - Roehrenanordnung fuer ultrakurze Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röhrenschaltung für ultrakurze Wellen und insbesondere eine solche, die zur Verwendung bei hohen Frequenzen geeignet ist.

Es ist bekannt, daß die üblichen elektrischen Entladungsröhren bei sehr hohen Frequenzen unwirksam werden. Die hauptsächlichen Schwierigkeiten, die das Arbeiten bei hohen Frequenzen verhindern, werden im wesentlichen durch folgende Faktoren hervorgerufen:

1. Die endliche Elektronenlaufzeit, die eine anomale Belastung des Eingangskreises und einen Verlust an Steilheit der Entladungsröhre erzeugt.

2. Die Schwierigkeit, die Kopplung zwischen Ausgangselektrode und Eingangselektrode so klein wie möglich zu halten, da sie sich sonst in einer zu starken Rückkopplung oder in einer übermäßigen Belastung des Ausgangskreises auswirkt, welche durch die Übertragung der Verluste des Eingangskreises und die daraus folgende Einbuße an Ausgangsleistung und Wirkungsgrad hervorgerufen wird.

3. Die vergrößerten Verluste in dem Ausgangskreis, die durch die Anwesenheit starker Blindströme bei hohen Frequenzen und dadurch bedingte Vergrößerung der Wirkverluste des Ausgangskreises hervorgerufen werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Röhrenanordnung für ultrakurze Wellen, bei welcher die Elektronenlaufzeit in keiner kritischen Beziehung zur Periode der Schwingungen steht und die bei Frequenzen, bei welchen die üblichen Röhren nicht mehr arbeiten, zufriedenstellend arbeitet und bei

welcher die Hochfrequenzverluste äußerst klein sind. Die Anordnung ist insbesondere als Verstärker für sehr hohe Frequenzen geeignet.

Es sind bereits Röhrenanordnungen bekannt, bei denen ein Elektronenstrahl, der in seiner Dichte gesteuert ist, durch eine oder mehrere Auskoppelelektroden hindurchgeführt wird. Diese Auskoppelelektroden werden durch einen oder mehrere Metallzylinder gebildet, durch den bzw. durch die der ίο Elektronenstrahl in axialer Richtung hindurchgeführt ist und der bzw. die mit einem Schwingkreis in Verbindung stehen. Es sind auch schon Ultrakurzwellenröhren bekanntgeworden, bei denen eine dichtemodulierte Elektronenströmung von einer Kathode durch ein Gitter hindurch zu einer Anode übergeht. Hierbei begrenzen Kathode- und Gitter einerseits und Gitter und Anode andererseits je einen Hohlraumresonator, deren erster die Dichtesteuerung bewirkt und deren anderer als Ausgangs-■20 kreis dient.

Gemäß der Erfindung ist eine Röhrenanordnung für ultrakurze Wellen, bei der eine in ihrer Dichte gesteuerte Entladung durch eine Auskoppelelektrodenanordnung hindurchgeführt wird, insbesondere zu Verstärkungszwecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelelektrodenanordnung durch das innere Rohr eines aus zwei koaxialen Rohren bestehenden Hohlraumresonanzkreises, z. B. Viertelwellenlängenschwingungskreises, gebildet wird, welches aus zwei durch einen Spalt senkrecht zur Achse getrennten Teilen besteht, und daß in dem einen Teil bzw. am Anfang dieses Teiles eine Kathode sowie eine Steuerelektrode und in dem anderen Teil bzw. am äußeren Ende des anderen Teiles eine Auffangelektrode derart angeordnet ist, daß die durch die Steuerelektrode dichtegesteuerte Entladung die an den Spalt angrenzenden Teile des inneren Rohres und den Spalt selbst koaxial durchsetzt und danach auf die Auffangelektrode auftrifft.

An sich ist es bekannt, die Wandung eines Viertel wellenlängenschwingungskreises mit den Elektroden baulich zu verbinden. Bei einer bekannten Anordnung dieser Art handelt es sich um eine Bremsfeldröhre, bei welcher der von einer Kathode ausgehende Elektronenstrahl durch zwei gitterartige Elektroden hindurchgeht, die von den einander mit Abstand gegenüberstehenden Stirnseiten des Schwingkreisaußenleiters und Schwingkreisinnenleiters getragen werden; der Strahl tritt anschließend in einen Umkehrraum ein. aus dem die Elektronen in den Raum zwischen den Gittern zurückgeworfen werden. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist eine wesentlich andere als bei der erfindungsgemäßen Anordnung. Insbesondere ist keine besondere dichtemodulierende Steuerelektrode vorgesehen, welche zusammen mit der Kathode im Innern des rohrförmigen Innenleiters des Schwing- \ kreises angeordnet ist und dadurch nach außen ahgeschirmt ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst das angewandte Prinzip erklärt werden, das in Abb. 1 bis 4 dargestellt ist. Abb. 1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch einen Viertelwellenresonanzkreis dar, der aus einem inneren rohrförmigen Leiter 20, der einen kreisförmigen Querschnitt haben kann, und einem äußeren rohrförmigen Leiter 21 besteht, der koaxial zu dem inneren Leiter 20 angeordnet und elektrisch mit diesem durch die leitende Platte 22 verbunden ist. Ein zweiter rohrförmiger Leiter 24, der als -OrTfnungsfortsatz bezeichnet werden möge, ist koaxial zu dem Leiter 20 angeordnet und besitzt von diesem in axialer Richtung einen Abstand, wodurch der Spalt 25 gebildet wird. Dieser rohrförmige Leiter 24 und der äußere Leiter 21 sind durch die leitende Platte 23 miteinander verbunden. Diese Anordnung stellt einen Viertelwellenlängenkreis dar. Wenn ein negativ geladener Körper 26 in axialer Richtung durch den inneren Leiter 20 von links nach rechts hindurchläuft, stellen die Abb. 1 bis 4 die Ladungsverteilung auf dem Kreis dar, wenn der Körper 26 längs der Innenseite des Leiters 20 und 24 bewegt wird. Wie ersichtlich, wird in der Nähe des Körpers eine positive Ladung auf die Innenseite des inneren Leiters induziert, die gleich seiner negativen Ladung ist. Anfänglich erscheinen jedoch keine Ladungen auf der äußeren Oberfläche des inneren Leiters 20. Die induzierte Ladung bewegt sich mit dem geladenen Körper längs der inneren Ober- go fläche des Leiters 20 mit, bis das Ende des inneren Leiters 20 erreicht ist. Während des Durchganges des geladenen Körpers durch den Spalt 25 wird die Ladung, wie in Abb. 2 dargestellt, teilweise auf dem Ende des inneren Leiters 20 und teilweise auf dem äußeren Leiter 24 gebildet. Der Übergang des geladenen Körpers jenseits des Spaltes 25 in den Leiter 24 läßt alle Ladungen auf der inneren Oberfläche des Leiters 24 erscheinen, wie in Abb. 3 dargestellt. Beim Übergang von dem Ende des inneren Leiters 20 zu dem Leiter 24 fließt die induzierte Ladung über die äußere Oberfläche des inneren Leiters 20 und die innere Oberfläche des Leiters 21 zurück zum Spalt und bildet auf diese Weise einen Stromfluß in den Viertelwellenkreis. Wenn geladene Körper in geeigneter Phase und Frequenzbeziehung zu der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises durch den Spalt hindurchgebracht werden, kann der Kreis allein durch Hindurchgang der geladenen Körper durch den Spalt zu Schwingungen angestoßen werden.

Abb. 4 zeigt die elektrischen und magnetischen Felder innerhalb des Resonanzraumes des Topfkreises, wenn letzterer erregt ist. Die ausgezogenen Linien 27 stellen die elektrische Feldverteilung und die Kreise 28 die magnetischen Kraftlinien dar. Die gestrichelten Linien 29 sind die Äquipotentialflächen in dem Spalt, Längs des größten Teiles der Länge des Resonanzkreises ist die Richtung des elektrischen Feldes im wesentlichen radial, während das elektrische Feld in dem Spalt 25 eine axiale Komponente besitzt. Das elektrische Feld dringt nicht sehr weit in das offene Ende der inneren Leiter 20 und 24 ein, sondern ist angenähert auf den durch die begrenzenden Äquipotentiallinien 29 gebildeten Raum, wie in der Abb. 4 dargestellt, be-

schränkt. Der Raum innerhalb des inneren Leiters 20 und innerhalb des Leiters 24 ist im wesentlichen feldfrei, und daher wird beim Transport der Ladung innerhalb des inneren Leiters 20 keine Arbeit durch das elektrische Feld geleistet, bis die Ladung den Spalt 25 erreicht. Wenn die Ladung durch den Spalt in dem Augenblick hindurchgeht, in dem der elektrische Feldvektor in der Richtung von 20 nach 24 verläuft, wird die Ladung gebremst und gibt ihre Energie an den Resonanzkreis ab. Eine während der entgegengesetzten Halbwelle durch den Spalt hindurchgehende Ladung wird, da das Feld umgekehrt gerichtet ist, beschleunigt und nimmt Energie von dem Kreis auf. Wenn nun die Zahl der durch den Spalt hindurchgehenden Ladungen während der ersten Halbwelle größer als die während der zweiten Halbwelle ist, wird im Mittel Energie an den Resonanzkreis abgegeben. Auf diese Weise wird der Resonanzkreis durch die durch den Spalt zwischen den Leitern 20 und 24 zu geeigneten Zeiten hindurchgehenden Elektronengruppen erregt. Die Bewegung der Elektronen im Innern des inneren Zylinders 20 hat keinen Einfluß auf den Strom in dem Resonanzkreis. Auch die innerhalb des Resonanzraumes des Resonanzkreises erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Felder dringen nur wenig in das Innere der Leiter 20 und 24 ein, welche als Schirmelektrode wirken, so daß die Elektronen nur während ihres Durchgangs durch den Spalt durch diese Felder beeinflußt werden.

In Abb. 5 ist eine erfmdungsgemäße Röhre schematisch dargestellt, die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeitet. Innerhalb des inneren Leiters 20 sind eine übliche Kathode 30 und ein Gitter 31 angeordnet, die Elektronenstöße (Elektronenhaufen) in geeigneter Phasenbeziehung erzeugen, die zur Erregung des Resonanzkreises notwendig sind. Eine Sammelelektrode oder Auffangelektrode 32 kann hinter der Schirmelektrode oder dem Öffnungsfortsatz 24' angeordnet werden. Wenn jetzt ein hohes Potential zwischen Kathode und den die Elektroden 20 und 24' enthaltenden Resonanzkreis und auch zwischen die Sammelelektrode 32 und die Kathode 30 gelegt wird, fließt ein Elektronenstrom von der Kathode zur Sammelelektrode. Wenn eine Hochfrequenzspannung an das Gitter 31 gelegt wird, wird der Elektronen strom in seiner Intensität periodisch beeinflußt. Durch den Spalt 25 hindurchgehende Elektronenstöße erzeugen Hochfrequenzströme zwischen den Elektroden 20 und 24'. Wenn die erregende Frequenz auf die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises abgestimmt ist, ist für diese Frequenz eine hohe Impedanz längs des Spaltes 25 vorhanden. Daher erzeugen die induzierten Ströme längs des Spaltes 25 eine hohe Hochfrequenzspannung. Die Phase dieser Spannung bei oder nahe der Resonanz ist so, daß die durch den Spalt hindurchgehenden Elektronen während der Halbperiode der maximalen Dichte des Elektronenstromes gebremst werden.

Die dabei von den Elektronen abgegebene Energie wird durch den Resonanzkreis in Energie des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Resonanzraumes zwischen dem inneren und äußeren Rohr umgewandelt und kann dann auf einen Nutzkreis beispielsweise mittels einer Koppelschleife 33, die durch eine öffnung in den äußeren rohrförmigen Leiter 21 des Resonanzkreises hineinragt, übertragen werden.

Das in dem Resonanzraum bestehende hochfrequente elektromagnetische Feld dringt nur wenig in das Innere der rohrförmigen Elektrode 20 und der rohrförmigen Schirmelektrode 24 ein. Daher kann durch Anordnung der Steuerelektrode 30 in einem geeigneten Abstand von dem Spalt 25 die Kopplung zwischen den Eingangselektroden 30 und 31 und den Ausgangselektroden 20 und 24' auf einen vernachlässigbaren Wert herabgesetzt werden. Die Sammelelektrode ist auch in einem angemessenen Abstand von dem Spalt angeordnet, um ebenfalls die Kopplung zwischen ihr und dem Resonanzkreis zu verringern. Dieses ergibt eine Verminderung der Verluste, die durch Aufnahme von Hochfrequenzenergie des Resonanzkreises durch die Sammelelektrode verursacht werden.

Um die Einwirkungen der Laufzeit zu verringern, können die Elektroden 20 und 24' an geeignet hohe Spannung gegenüber der Kathode gelegt werden. Die Einstellung dieser Spannungen ist go nicht kritisch, da das Arbeiten der Röhre nicht kritisch von der Elektronenlaufzeit abhängt. Dies kommt daher, daß die Elektronen den Ausgangskreis nur während der kurzen Zeit erregen, die sie in dem durch den Spalt 25 hindurchgreifenden Feld verweilen. Die Auffangelektrode 32 kann mit einer weit geringeren Spannung als die Leiter 20 und 24 arbeiten, und um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, arbeitet man mit einer Spannung, die gerade ausreicht, um sämtliche Elektronen zu sammeln, die durch Abbremsung im Spalt ihre kinetische Energie in Schwingungsenergie umgesetzt haben. Zur Verbesserung der Arbeitsweise der Röhre kann der Elektronenstrom elektrostatisch oder magnetisch fokussiert werden, so daß die Elektronen auf die auf hohem Potential befindliche Beschleunigungselektrode 20 oder 24 nicht auftreffen können. Dann werden diese Elektroden keine Energie verbrauchen, und die ganze in der Entladungsröhre erzeugte Leistung wird durch die Spannungsquelle der Sammelelektrode aufgebracht werden.

In Abb. 6 ist eine erfindungsgemäße Röhre im Längsschnitt dargestellt. Der Hauptkörper der Entladungsröhre, der einen konzentrischen Viertelwellenlängenausgangskreis bildet, enthält ein Paar rohrförmige koaxiale Teile oder Elektroden 35 und 36, die in axialer Richtung durch einen Spalt 37 getrennt und elektrisch mit einem konzentrischen äußeren Zylinder oder rohrförmigen Teil 38 mittels Endplatten 39 und 40 verbunden sind. Innerhalb des rohrförmigen Teiles 35 ist eine indirekt geheizte Kathode 41, deren Heizer nicht dargestellt ist, und ein Gitter 42 angeordnet. Diese Elektroden können scheibenförmig oder rechteckig sein. Von der Kathode 41 gelieferte Elektronen gelangen in axialer Richtung innerhalb der Zylinder 35 und 36 zu einer

Sammelelektrode 43, die vorzugsweise aus Kohle besteht. Die Glaskappen 44 und 45 schließen die Enden der rohrförmigen Glieder 35 und 36 ab und bilden zusammen mit dem Teil 38 ein Vakuumgefäß für die Elektroden, wobei der kappenförmigeTeil45 mit der Elektrode 35, die als Schirmelektrode bezeichnet wird, verschmolzen ist. Das Solenoid 46 kann vorgesehen werden, um die Elektronen von der Kathode4i zu einem wohldefinierten Strahl längs der Achse der rohrförmigen Elektroden 35 und 36 zu bündeln. Die Elektroden 41 und 42 werden mittels der Zuführungen 47 und 48 gehalten. Eine Parallelleitung ist an diesen Zuführungen angeschlossen. Diese Leitung bildet den Eingangskreis, der durch das Brückenglied 49, das mit einem Nebenschlußkondensator 50 versehen ist, abgestimmt wird. Eine Schleife 51 dient zur Kopplung des Eingangskreises mit einer Steuerstufe. Um den Resonanzkreis mit einem Nutzkreis zu koppeln, ist ein in das Innere desselben hineinragender Glasteil 53 vorgesehen, der das Einführen einer Kopplungsschleife 52 ermöglicht. Die zwischen Gitter und Kathode liegende Spannungsquelle 54 erzeugt eine geeignete Vorspannung für das Gitter 42, während die Spanas nungsquelle 55 dem Resonanzkreis mittels einer Zuführung 56' eine höhere Spannung zuführt, als die Sammelelektrode durch die Spannungsquelle 56 erhält.

Wenn eine hohe Spannung U₁ der Spannungsquelle 55 zwischen Kathode und den Elektroden 35 und 36 und eine Spannung U₂ der Spannungsquelle 56 zwischen Kathode und Sammelelektrode 43 angelegt wird, gelangt ein Elektronenstrom, der durch das magnetische Feld des Solenoids 46 fokussiert ist, von der Kathode 41 zur Sammelelektrode 43, ohne auf die Elektroden 35 und 36 aufzutreffen. Wenn eine Hochfrequenzspannung durch Erregung des Eingangskreises zwischen Steuergitter 42 und Kathode 4.1 gelegt wird, wird der Elektronenstrom periodisch in seiner Intensität geändert. Durch den Spalt 37 hindurchgehende Elektronengruppen induzieren dann in den Elektroden 35 und 36 Hochfrequenzströme. Wenn die erregende Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Ausgangskreises 35, 38 und 36 übereinstimmt, entsteht für diese Frequenz eine hohe Impedanz längs des Spaltes 37. Daher werden die in den Elektroden 35 und 36 durch die Elektronenstöße induzierten Ströme eine Hochfrequenzspannung längs des Spaltes 37 erzeugen;. Die Phasenlage dieser Spannung bei oder nahe der Resonanz wird so sein, daß die Elektronen, die während der Halbperiode der maximalen Dichte des Elektronenstromes durch den Strom hindurchlaufen, abgebremst werden. Die Energie der abgebremsten Elektronen wird durch den Ausgangskreis in Energie der elektrischen und magnetischen Felder in dem Resonanzraum zwischen dem inneren, 35, und äußeren Zylinder 38 umgewandelt und dann auf den Nutzkreis durch die Kopplungsschleife 52 übertragen.

Die Hochfrequenzfelder dringen nur wenig in das Innere der rohrförmigen Elektrode 35 und der Schirmelektrode 36 ein.

Die Eindringtiefe ist kleiner als der Durchmesser dieser Elektroden, so daß durch Anordnung der Kathode 41, Steuerelektrode 42 und der Sammelelektrode 43 in geeignetem Abstand von dem Spalt 37 die Kopplung zwischen dem Ausgangskreis und den letzten drei genannten Elektroden praktisch vernachlässigbar klein gemacht werden kann. Um die Elektronenlaufzeit zwischen dem Steuergitter 42 und dem Spalt zu verringern, können die Elektroden 35 und 36 mit geeignet hohen Spannungen arbeiten, um die Geschwindigkeit der Elektronen beim Durchlaufen des Spaltes zu vergrößern. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades kann die Spannung der Sammelelektrode auf einen Wert eingestellt werden, der gerade ausreicht, um sämtliche abgebremsten Elektronen zu sammeln. Sie muß gewöhnlich nur ein wenig höher sein als der Scheitelwert der längs des Spaltes herrschenden Hochfrequenzspannung. Die Einstellung der Beschleunigungsspannung U₁ ist nicht kritisch. Sie wird gewöhnlich auf einen solchen Wert eingestellt, daß die Laufzeit der Elektronen längs der wirksamen Länge des Spaltes (kleiner als der Durchmesser der Elektrode 35) ein Bruchteil einer Periode ist, so daß der Steilheitsverlust, der durch die Laufzeit hervorgerufen wird, gering ist. Bei geeigneter Wahl des fokussierenden Magnetfeldes fließt kein Strom zu den Elektroden 35 und 36, so daß diese Elektroden keine Leistung verbrauchen. Die Leistung wird dann nur durch die Spannungsquelle 56 der Sammelelektrode aufgebracht.

In Abb. 7 ist eine Entladungsröhre dargestellt, bei welcher sich die Ausgangselektroden und der Resonanzkreis außerhalb des Vakuumgefäßes befinden. In diesem Fall ist die innere rohrförmige Elektrode 60 und die Schirmelektrode 61 mechanisch und elektrisch mit dem äußeren rohrförmigen Teil 62 mittels leitender Platten 63 und 64 verbunden. Diese Teile bilden den konzentrischen Ausgangskreis. Die Resonanzfrequenz dieses Kreises kann mittels der einstellbaren Kondensatorplatte 76, die mittels eines Isolierstabes 76' in Richtung nach den Elektroden 60 und 61 hin und von diesen weg zur Vergrößerung oder Verkleinerung der Kopplungskapazität zwischen diesen beiden Elektroden bewegt werden kann, verändert werden. Die Kanten der Elektroden 60 und 61 sind verdickt und ab- n° gerundet (bei 60' und 61'), um übermäßig starke hochfrequente Felder an dem Spalt zu verhindern, die dielektrische Verluste in dem Glaskolben 66, der die Kathode und die Sammelelektrode umgibt, zur Folge haben würden. Zur Verminderung dieser Verluste kann das Glasgefäß in der Nähe des Spaltes mit einem kurzen Teil versehen sein, der aus einem verlustarmen Dielektrikum, wie z. B. Spezialglas, Quarz oder Keramik, besteht. Um die Röhre zu kühlen und insbesondere das Glasgefäß in der Gegend des maximalen elektrischen Feldes an dem Spalt ausreichend zu kühlen, kann eine besondere Kühleinrichtung in der Form vorgesehen werden, daß ein einspringender, mit dem Glasgefäß in Berührung stehender Teil 65 vorgesehen wird, der mit den inneren rohrförmigen Teilen 60 und 61

ein hohles rohrförmiges Gehäuse um das Vakuumgefäß bildet, in welches Luft durch die Röhren 65' und 65" geblasen werden kann. Der gesamte äußere konzentrische Resonanzkreis und das Glasgefäß können, wenn man will, voneinander getrennt werden. Das Vakuumgefäß 66, das in den konzentrischen Resonanzkreis eingepaßt ist, enthält eine indirekt geheizte Kathode 67, deren Heizwendel nicht dargestellt ist, ein Steuergitter 68 und eine ίο strahlbildende Elektrode 69, die entweder auf Steuergitterpotential oder irgendeinem geeigneten Potential gehalten wird, um den Elektronenstrom bei Beginn zu konzentrieren, wodurch bedeutend schwächere magnetische Felder der Solenoide 74 und 75 angewendet werden können, ohne eine unerwünschte Stromaufnahme durch die Beschleunigungselektroden 70 und 71, die zwischen der Kathode und der von dem Quetschfuß getragenen Sammelelektrode 72 angeordnet sind, in Kauf nehmen zu müssen. Der Grund für die Verwendung der Beschleunigungselektroden 70 und 71 ist, die unerwünschten Wirkungen der Ladungen auf der Glaswand, die durch das Bombardement mit Streuelektronen hervorgerufen werden, zu vermeiden. Die Elektroden 70 und 71 sind in einem geeigneten Abstand von dem Spalt zwischen den Elektroden 60 und 61 des Ausgangsresonanzkreises angeordnet, so daß die Hochfrequenzfelder an dem Spalt zwischen den rohrförmigen Gliedern 60 und 61 sie nicht erreichen, und so bilden die Elektroden 70 und 71 keinen Teil des Ausgangskreises und führen keine Hochfrequenzströme. Der Elektronenstrom von der Kathode 67, der durch das Gitter 68 gesteuert und durch die Elektrode 6g fokussiert wird, durchläuft den Spalt zwischen den Elektroden 60 und 61. Wie in dem vorhergehenden Fall wird eine hohe' Hochfrequenzspannung längs des Spaltes erzeugt, und die Elektronen werden in dem Spalt gebremst und schließlich nach Passieren der Beschleunigungselektrode 71 mittels der Elektrode 72 gesammelt. Die Hochfrequenzenergie wird von dem Resonanzkreis durch die Kopplungsschleife 62' auf den Nutzkreis übertragen.

Eine aus rohrförmigen Leitern 79 und 80 bestehende und durch eine leitende Brücke 81 abgestimmte Parallelleitung bildet den Eingangskreis, dem die Hochfrequenzspannungen durch die Koppelschleife 82 zugeführt werden. Die Zuführungen 69' und yy, die mit der strahlbündelnden Elektrode 69 und dem Gitter 68 verbunden sind, laufen durch den rohrförmigen Teil 79 und sind mit den Spannungsquellen 69" und 68' verbunden, denen die Spannungen für die strahlbündelnde Elektrode 69 und das Gitter 68 entnommen werden. Der rohrförmige Teil 80 und der isolierte Leiter 78 innerhalb dieses rohrförmigen Gliedes führen den Kathodenheizstrom von der Spannungsquelle 67', und der Leiter 80 wirkt zu gleicher Zeit als Kathodenzuführung. Einen Nebenschluß für Hochfrequenzströme bildet der Kondensator 80', der vorzugsweise innerhalb des Glasgefäßes angeordnet und zwischen den Zuleitungen zum Heizer und zur Kathode liegt. Die Hochfrequenzkopplung zwischen den Leitern 79 und 80 der Übertragungsleitung und dem Gitter und den strahlbündelnden Elektroden wird durch die natürliche Kapazität zwischen diesen Leitungen und den isolierten Zuführungen innerhalb der Röhre bewirkt. Wenn es nötig ist, können zusätzliche Kondensatoren für eine kapazitive Kopplung zwischen den Rohrleitungen und den Zuführungen vorgesehen werden.

Eine Musterröhre, die gemäß der Erfindung hergestellt war, hatte einen äußeren Teil 62, der 152,4 mm lang war und einen Durchmesser von 50,8 mm hatte. Die inneren rohrförmigen Teile 60 und 61 hatten einen Durohmesser, der gerade ausreichte, um die konzentrische Leitungseinheit über das Ende des Gefäßes 66 herüberzuschieben, welches einen äußeren Durchmesser von 31,8 mm besaß. Die Breite des Spaltes zwischen den inneren rohrförmigen Teilen 60 und 61 betrug etwa 4,8 mm. Die Beschleunigungselektrode 71 mit einem Durchmesser von 12,7 mm befand sich in einem Abstand von 50,8 mm von der Beschleunigungselektrode 70 mit einem Durchmesser von 25,4 mm. Die strahlbündelnde Elektrode war 2,5 mm von der Kante der Beschleunigungselektrode 70 entfernt. Die Sammelelektrode 72 besaß einen äußeren Durchmesser von 50,8 mm und eine Tiefe von ebenfalls 50,7 mm. Natürlich können diese Abmessungen für verschiedene Frequenzen und verschiedene Ausgangsleistungen geändert werden.

Diese Röhre arbeitete unter folgenden Bedingungen: Bei einer Frequenz von 450 MHz wurde eine Ausgangsleistung von 110 Watt erzielt, wobei die Steuerleistung etwa 10 Watt und der Wirkungsgrad etwa 35°/o betrugen. Die an die Elektroden 70 und 71 von der Spannungsquelle 55 über den Leiter 56' angelegte Beschleunigungsspannung betrug etwa 6000 Volt, und die der Sammelelektrode von too der Spannungsquelle 56 zugeführte Spannung betrug etwa 2000 Volt. Der Sammelelektrodenstrom betrug angenähert 150 mA. Die äußerst geringen Verluste in den Ausgangselektroden 60 und 61 und im Resonanzkreis werden durch die Tatsache erhellt, daß der Strom zu diesen Elektroden kleiner als 0,1 mA war. Diese Ergebnisse stehen im starken Gegensatz zu den mit Röhren und Kreisen der üblichen Ausführung erzielten, wenn versucht wird, diese bei höheren Frequenzen arbeiten zu lassen. no

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entladungsröhre ist im Längsschnitt in Abb. 8 dargestellt. Hier liegen die Kathode 41' und das Gitter 42' außerhalb des rohrförmigen Leiters 35' und die Sammelelektrode 43' innerhalb der rohrförmigen Elektrode 36'. Die Glaskappen 44' und 45 schließen die Enden der rohrförmigen Teile ab, mit denen die äußeren rohrförmigen Teile 38' durch die Platten 39' und 40' leitend verbunden sind und so das Vakuumgefäß bilden. Die Solenoide 46' und 47' erzeugen ein magnetisches Feld, und die Kopplung mit einem Nutzkreis wird mittels einer Schleife 52' erzielt, die mittels eines kappenförmigen Glasteiles 53' in die Platte 40' eingeschmolzen ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die einen symmetrischen Kreis besitzt, ist im

Längsschnitt in Abb. 9 dargestellt. Die rohrförmigen Elektroden 85 und 86 sind elektrisch mit den leitenden Scheiben oder Platten 88 und 89 verbunden, mit denen der zylindrische Kurzschlußteil 90 den Resonanzkreis bildet. Der Teil 87 ist mit den rohrförmigen Teilen 85 und 86 verschmolzen und bildet mit den kappenförmigen Teilen 87 und Sy' ein Vakuumgefäß für die Kathode 41' des Gitters 42' und die Sammelelektrode 43'. Das magnetische Feld wird durch die Solenoide 92 und 93 erzeugt, während die Kopplung mit dem Nutzkreis mittels der Kopplungsschleife 91 hergestellt wird, die durch eine Öffnung in dem ringförmigen- Teil 90 hindurchragt. Die Elektroden 85 und 86 sind lang genug gemacht, um das Eindringen der sich längs des Spaltes zwischen den beiden Elektroden entwickelnden Hochfrequenzfelder zu verringern. Der Durchmesser des durch die scheibenförmigen Leiter 88 und 89 und den zylindrischen Kurzschlußteil 90 gebildeten Raumes bestimmt die Resonanzfrequenz des Ausgangskreises. Ein Kondensator der in Abb. 7 dargestellten Art könnte zur Veränderung der Resonanzfrequenz verwendet werden. Da die Resonanzkreisteile 88, 89 und 90 außerhalb des Röhrenkolbens angeordnet sind, können sie zur Veränderung der Resonanzfrequenz geändert werden. In Abb. 10 ist eine Abänderung der in Abb. 9 dargestellten symmetrischen Ausführungsform gezeigt, bei welcher eine Kopplungskondensatorplatte 96 durch eine Faltenbalgeinschmelzung 9.7 in der Resonatorwand 90' gehalten wird. Die Kopplung kann mittels einer Schraube 98 eingestellt werden. Die Sammelelektrode 43" ist hohl und ist, wie dargestellt, für Wasserkühlung eingerichtet. Kappenförmige Teile 87', 87" und 95, welch letzterer mit dem Fortsatz 94 verschmolzen ist, ergeben die notwendigen isolierten Träger für die verschiedenen Elektroden und Kopplungsschleifen.

Die Abb. 11 unterscheidet sich von den Abb. 9 und 10 darin, daß die rohrförmigen Elektroden 85' und 86' zusammen mit dem Rest des Resonanzkreises und Abstimmkondensators 96 außerhalb des Glasgefäßes 66' angeordnet sind, an dessen einem Ende die Kathode 41' und das Gitter 42' und an dessen anderem Ende die Sammelelektrode 43" befestigt sind, während die Beschleunigungselektrodengo' und yi' zwischen der Kathode 41' und der Sammelelektrode 43" angeordnet sind. Dieser Aufbau gestattet die Trennung von Vakuumgefäß und Resonanzkreis.

So werden in einer Entladungsröhre gemäß der Erfindung die Laufzeiteinflüsse dadurch vermindert, daß man Elektronen hoher Geschwindigkeit verwendet. Dies wird ohne Vergrößerung des Leistungsaufwandes und ohne Einbuße an Wirkungsgrad durch Trennung der Funktionen der Hochfrequenzausgangselektrode und der die Elektronen aufnehmenden Elektrode und durch die Anwendung der Elektronenbündelung erreicht. Die Kopplung zwischen Eingang und Ausgang wird dabei durch Abschirmung und Trennung der Elektroden und Kreise auf einen vernachlässigbar kleinen W^rert vermindert. Die Hochfrequenzverluste, die durch die Hochfrequenzspannungen hervorgerufen werden, werden durch stromführende Elektroden großer Oberfläche vermindert.

Außer den obigen Vorteilen ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad durch die Sammlung der Elektronen bei geringer Geschwindigkeit, und es wird eine hohe Ausgangsleistung erreicht, da die Ausgangselektrode hinreichend groß gemacht werden kann, ohne die Wirkungsweise des Ausgangskreises zu beeinflussen. Eine rückkopplungsfreie Verstärkung wird durch die Verminderung der Kopplung zwischen Ausgang und Eingang auf einen vernachlässigbar kleinen Wert ermöglicht.

Andere Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Entladungsröhren sind z. B. die Frequenzvervielfachung und die Erzeugung von Schwingungen.

Claims (18)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Röhrenanordnung für ultrakurze Wellen, bei der eine in ihrer Dichte gesteuerte Entladung durch eine Auskoppelelektrodenanordnung hindurchgeführt wird, insbesondere zu Verstärkungszwecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppel elektrodenanordnung durch das innere Rohr eines aus zwei koaxialen Röhren bestehenden Hohlraumresonanzkreises, z. B. Viertelw'ellenlängenschwingungskreises, gebildet wird, welches aus zwei durch einen Spalt senkrecht zur Achse getrennten Teilen besteht, und daß in dem einen Teil bzw. am Anfang dieses Teiles eine Kathode sowie eine Steuerelektrode und in dem anderen Teil bzw. am äußeren Ende des anderen Teiles eine Auffangelektrode derart angeordnet ist, daß die durch die Steuerelektrode dichtegesteuerte Entladung die an den Spalt angrenzenden Teile des inneren Rohres und den Spalt selbst koaxial durchsetzt und danach auf die Auffangelektrode auftrifft.
2. 2. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen dem Steuergitter und dem Spalt einerseits und zwischen der Auffangelektrode und dem Spalt andererseits so groß sind, daß der Einfluß des den Spalt durchsetzenden elektromagnetischen Feldes des Viertelwellenlängeiikreises auf diese Elektroden vernachlässigbar klein ist.
3. 3. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Viertelwellenlängenkreis einen Teil des Vakuumgefäßes bildet und der vakuumdichte Abschluß des inneren Rohres durch kappenartige Glasteile lao hergestellt ist, die mit dem inneren Rohr verschmolzen sind.
4. 4. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der beiden den Spalt bildenden Rohrteile verdickt und abgerundet sind.
5. 5· Röhrenanordnung nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Viertelwellenlängenkreises mittels einer einstellbaren Kondensatorplatte, die einen Teil des Spaltes abdeckt, veränderbar ist.
6. 6. Röhrenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kondensatorplatte von. dem Spalt von außen her über einen Isolierstab durch eine Schraube einstellbar ist und der vakuumdichte Abschluß durch einen Faltenbalg aus Metall bewirkt ist.
7. 7. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen den beiden konzentrischen Rohren des Viertelwellenlängenkreises eine Kopplungsschleife zur Abnahme der Nutzleistung vorgesehen ist, deren Durchführung durch das äußere Rohr z. B. durch eine Glaskappe vakuumdicht verschlossen ist.
8. 8. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des äußeren Rohres des Viertelwellenlängenkreises ein oder mehrere Solenoide zur Erzeugung eines die zwischen Kathode und Auffangelektrode übergehenden Elektronen bündelnden Magnetfeldes vorgesehen sind.
9. 9. Rollenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangelektrode aus Kohle liesteht und einen U-förmigen Querschnitt besitzt, dessen offenes Ende der Kathode zugewendet ist.
10. 10. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangelektrode aus Metall besteht, doppelwandig ausgeführt ist und durch Wasser gekühlt ist und daß sie einen U-förmigen Querschnitt besitzt, dessen offenes Ende der Kathode zugewendet ist.
11. 11. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor und hinter dem Spalt außer Kathode, Steuergitter und Auffangelektrode je eine rohrförmige Beschleunigungselektrode vorgesehen ist, deren Abstände von dem Spalt so gewählt sind, daß der Einfluß des den Spalt durchsetzenden elektromagnetischen Feldes des Viertelwellenlängenkreises auf diese Elektroden vernachlässigbar klein ist.
12. 12. Röhrenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektroden mit dem Viertelwellenlängenkreis verbunden sind.
13. 13. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter dem Steuergitter in Richtung zur Auffangelektrode eine bündelnde Elektrode vorgesehen ist. ■
14. 14. Röhrenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung zu der bündelnden Elektrode mit der Zuführung zu dem Steuergitter zusammen, innerhalb eines Rohres liegt, das einen Leiter der Parallelleitung bildet.
15. 15. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Steuergitter, Kathode und Auffangelektrode in einem Vakuumgefäß aus Glas untergebracht sind, das mit einem zylindrisch auslaufenden Ende in das innere Rohr des Viertelwellenlängenkreises eingeschoben ist.
16. 16. Röhrenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des zylindrisch auslaufenden Endes des Vakuumgefäßes, der dem Spalt gegenübersteht, aus einem verlustarmen Dielektrikum, wie Spezialglas, Quarz oder Keramik, besteht.
17. 17. Röhrenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem inneren Rohr des Viertelwellenlängenkreises und dem zylindrisch auslaufenden Glasteil ein Zwischenraum vorgesehen ist, durch den Luft zur Kühlung hindurchgeblasen wird.
18. 18. Röhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergitter eine negative Vorspannung, dem Viertelwellenlängenkreis eine hohe Gleichspannung und der Auffangelektrode eine solche Gleichspannung zugeführt ist, daß gerade sämtliche durch den Spalt hindurchgegangenen Elektronen aufgenommen werden.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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