DE921035C - Vorrichtung zum Erzeugen, Verstaerken oder Modulieren von Millimeterwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen, Verstärken oder Modulieren von Millimeterwellen mittels einer elektrischen Entladungsröhre, in der sich ein Elektronenbündel parallel zu einer Ebene und senkrecht zu einer Anzahl in dieser Ebene angeordneter, linearer Elemente eines Schwingungssystems bewegt, wobei diese Elemente etwa eine halbe Wellenlänge lang und ihre gegenseitigen Abstände klein gegen ihre Länge sind.

In den bekannten Vorrichtungen dieser Art bestehen die linearen Elemente aus steifen Drähten oder Stäben, welche an einem oder mehreren Punkten unterstützt werden. Für sehr kurze Wellen hat diese Anordnung den Nachteil, daß bei großen Energien sich die linearen Elemente unter dem Einfluß der hohen Temperatur verziehen.

In einer Vorrichtung- zum Erzeugen, Verstärken oder Modulieren von Millimeterwellen mittels einer elektrischen Entladungsröhre, in der sich ein Elektronenbündel parallel zu einer Ebene und senkrecht zu einer Anzahl in dieser Ebene angeordneter, linearer Elemente eines Schwingungssystems bewegt, wobei diese Elemente etwa eine halbe Wellenlänge lang und ihre gegenseitigen Abstände klein gegen ihre Länge sind, so daß unter dem Einfluß des Elektronenbündels zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen in der Mitte ein Spannungsbauch, an den Enden jedoch Spannungsknoten entstehen und aufeinanderfolgende Elemente gegenphasig schwingen, besteht gemäß der Erfindung das Schwingungssystem aus einer Anzahl von in einem Wellenleiter auf einem kräftigen Rahmen auf-

gespannten Drähten aus Wolfram oder Molybdän, wobei die Wellenfortpflanzungsrichtung des Wellenleiters parallel zur Ebene des Rahmens liegt.

Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit der Elektronen derart, daß die Laufzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen des Schwingungssystems einer Halbperiode der betrachteten Schwingung entspricht.

Damit die Drähte wirklich gegenphasig schwingen, können sie abwechselnd etwas kurzer und etwas langer als die mittlere Länge gestaltet werden, welche etwa der halben Betriebswellenlänge entspricht. Letzteres kann dadurch auf einfache Weise erzielt werden, daß abwechselnd dicke und dünne Drähte genommen und die Enden der starken Drähte durch zwei Streifen verbunden werden, die einander etwas näher liegen als die langen Seiten des Rahmens, auf den die Drähte aufgespannt sind.

Um bei Millimeterwellen größere Energien zu erhalten, können mehrere Rahmen mit aufgespannten Drähten aufeinandergelegt werden, und das Elektronenbündel bewegt sich dann zwischen den Drahtreihen 'hindurch. Zweckmäßig werden die gespannten Rahmen derart aufeinandergetürmt, daß in der zur Rahmenebene senkrechten Richtung die Drähte hintereinanderliegen.

Werden auch diese Rahmen abwechselnd mit starken und dünnen Drähten bewickelt und die öffnungen in den Rahmen derart abgeschrägt, daß die Drähte an dem Rahmen dort anliegen, wo die öffnung am größten ist, so ergibt sich selbsttätig beim Zusammenlegen der Rahmen eine Verkürzung der starken Drähte im Verhältnis zu den dünnen. Die Zahl der aufeinanderzutürmenden Rahmen kann nicht unbeschränkt groß gewählt werden, denn der Abstand zwischen den am weitesten außen liegenden Drähten, gemessen senkrecht zu der Richtung des Rahmens, muß kleiner sein als die Wellenlänge, zweckmäßig nicht wesentlich größer als die halbe Wellenlänge, wodurch erreicht wird, daß sämtliche nebeneinanderliegende Drähte gleichphasig schwingen. Die gesamte Länge des Rahmens oder des Rahmenstapels kann größer sein als die Wellenlänge der betrachteten Schwingungen an der Luft, und zwar jedenfalls das iV2fache bis das Doppelte.

Das auf diese Weise erhaltene Schwingsystem weist in einer Richtung somit eine Abmessung größer als die Wellenlänge auf und kann zum Unterschied gegenüber der Wendel in einer Wanderfeldröhre eine große Wärmeentwicklung aushalten. Auch sind zur Herstellung keine verwickelten Verfahren erforderlich. Die gespannten Rahmen können unter Zuhilfenahme leitender Platten zu einem Wellenleiter vervollständigt sein, in dem die Drähte ausgespannt sind und dessen Querschnitt in der Längsrichtung der Drähte der halben Wellenlänge entspricht und senkrecht zu der Ebene der Rahmen zwischen der halben und der ganzen Wellenlänge liegt, wobei die Längsrichtung der Rahmen in der Längsrichtung der Wellenleitung liegt.

In der Praxis muß der Durchmesser der gespannten Drähte kleiner als 0,25 mm und die 6g Teilung zwischen den Drähten kleiner als 1 mm sein.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann auch in der Art einer ilachen Magnetfeldröhre gebaut sein, wobei gegenüber und parallel zu einem gewickelten Rahmen eine flache Elektrode angeordnet ist. In einer Aussparung dieser flachen Elektrode nahe beim Ende des bewickelten Rahmens ist eine Glühkathode angeordnet, deren Längsrichtung parallel zu jener der Drähte ist. Ein zur Richtung der Drähte paralleles Magnetfeld ist so stark, daß bei einer geeigneten Spannung zwischen Kathode und Anode die Elektronen cycloidenartige Bahnen beschreiben, wobei sie dicht an den Drähten entlang streifen und dies mehrere Male wiederholen, bevor sie abgefangen werden. Auch kann die plattenförmige Elektrode sekundäremissionsfähig sein, wobei auffallende Elektronen neue auslösen. Gegebenenfalls kann die ganze Platte ohne Aussparung als primäre Kathode wirken.

Die mittlere Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Elektronen kann hierbei derart sein, daß in einer Halbperiode der Eigenschwingungen dieser Drähte von den Elektronen ein Weg gleich der Teilung zwischen den Drähten zurückgelegt wird.

Die Erfindung wird an Hand'der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, in der

Fig. ι und 2 zwei Schnitte durch das Elektrodensystem einer elektrischen Entladungsröhre zur Verwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung darstellen, wobei das Resonatorsystem aus einem einzigen bewickelten Rahmen besteht, die

Fig. 3, 4 und 5 drei Schnitte durch ein eingehender ausgeführtes Beispiel einer Röhre zum Erzeugen von Millimeterwellen darstellen,

Fig. 6 eine Vorrichtung nach der Erfindung darstellt, bei der sich die Ein- und Auskopplung unter Zuhilfenahme von Wellenleitern vollzieht, die an einen Wellenleiter angeschlossen sind, in dem ein bewickelter Rahmen untergebracht ist, und

Fig. 7 eine flache Magnetfeldröhre nach der Erfindung darstellt.

In Fig. ι ist 1 eine Glühkathode, die unter Zuhilfenahme zweier kleiner Bündelplatten 2 ein flaches Elektronenbündel erzeugen kann, das unter Einwirkung eines Magnetfeldes in der Längsrichtung zur Fanganode 3 gerichtet wird. Das Bündel bewegt sich auf einen Molybdänrahmen 4 zu, auf den abwechselnd dicke und dünne Wolframdrähte 5 und 6 aufgespannt und mittels Goldes festgelötet sind. Nach dem Lötvorgang wird der Rahmen 4 in Richtung der Drähte gestreckt, so daß die Drähte gespannt sind und eine große Erwärmung aushalten, ohne schlaff zu werden oder sich zu verweiten bzw. zu wellen. Die Spannung in den Drähten wird zu diesem Zweck auf einen wesentlichen Teil des Bereiches bis zur Elastizitätsgrenze, z. B. auf etwa 40%) davon, erhöht. Zwei Streifen 7 sind auf die starken Drähte gelegt, so daß die freie Länge dieser Drähte geringer ist als jene der dünnen Drähte. Hierdurch kann bewerkstelligt

werden, daß zwei benachbarte Drähte stets gegenphasig schwingen. Die Geschwindigkeit der Elektronen wird derart bemessen, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Drähten in einer HaIbperiode zurückgelegt wird. Bei Röhren großer Leistungsfähigkeit muß dann der Abstand zwischen den Drähten am Ende kleiner sein als am Anfang, weil die Elektronen dann bereits Energie an das Hochfrequenzfeld abgegeben haben, ähnlich wie ίο bei einer Röhre für fortschreitende Wellen (Wanderfeldröhre) die Steigung der Wendel am Ende oft kleiner bemessen wird.

Wird die Vorrichtung als Generator verwendet, so kann die Energie grundsätzlich unter Zuhilfenähme der Koppelschleife 8 abgegriffen werden, und wird die Vorrichtung als Verstärker verwendet, so kann sich die Energiezuführung unter Zuhilfenahme der Koppelschleife 9 vollziehen.

Bei der in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellten ao Röhre ist 15 ein zylindrischer Glaskolben, innerhalb dessen ein rechteckiges Gehäuse 16 mit kreisförmigem Flansch 17 angeordnet ist. Im Innern des rechteckigen Gehäuses 16 sind sieben längliche Rahmen 18 angeordnet, die abwechselnd mit dicken und dünnen Drähten 19 und 20 bespannt sind. Der in Fig. 5 am meisten rechts liegende Rahmen ist nicht bewickelt. Die länglichen öffnungen in den Rahmen sind derart abgeschrägt, daß die starken Drähte infolge des aufliegenden nächstfolgenden Rahmens eine kleinere freie Länge erhalten als die dünnen Drähte. Da die Drähte unter Zuhilfenahme von Goldlot auf den Rahmen angebracht sind, können diese nach dem Zusammenschichten durch eine einfache Nacherhitzung zu einem massiven Ganzen miteinander verbunden werden, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Drähte in der zur Rahmenebene senkrechten Richtung hintereinanderliegen. Auch diese Drähte stehen unter einer ausreichenden Spannung. Unter Zuhilfenahme zweier Glimmerplatten 21 sind im Innern der aufgeweiteten öffnung der Platten 18 eine flache Kathode 22 auf Haltestäben 23 sowie zwei Haltestäbe 24 angeordnet, auf denen die starren Gitterdrähte 25 angebracht sind. Gitter und Kathode sind unter Zuhilfenahme beweglicher Drähte mit einer Anzahl von Durchführungsstiften im Röhrenboden verbunden. Die Kanten 26 des Gehäuses 16 sind in der Umgebung der Kathode fortgelassen. Zwischen den bewickelten Rahmen 18 und dem Gehäuse 16 sind noch vier leitende Streifen 29 angebracht, so daß die Drähte in einem Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt ausgespannt sind, dessen kleinste Abmessung der halben Wellenlänge entspricht. Die größte Abmessung liegt zwischen der halben und der ganzen Wellenlänge. Die kurzen Seiten 30 der bewickelten Rahmen sind, senkrecht zu den Drähten gemessen, eine Viertelwellenlänge lang, wodurch eine Anpassung zwischen der Röhre und dem Ausgang erzielt wird, der von dem Wellenleiter 27 gebildet ist, der mit einem besonderen Flansch 28 versehen ist, der ein Abfließen von Energie verhütet. Die kurzen Seiten 30 der Rahmen 18 sind in der Fortpflanzungsrichtung der Wellen eine Viertelwellenlänge lang, und sie bilden infolgedessen gemeinsam mit den Seitenwänden 26 Anpassungsglieder für den Ausgangskreis. Die Platten 18 sind 0,5 mm stark und die dicken und dünnen Drähte 130 bzw. 90 μ. Die bewickelte Länge der Rahmen 18 ist annähernd 12 mm und die Teilung der Drähte 0,32 mm. Die Länge der Drähte ist etwa 4 mm mit der Maßgabe, daß die Abschrägung in den Platten 18 derart ist, daß die freie Länge der stärken Drähte zu beiden Seiten annähernd um 0,1 mm geringer ist als jene der dünnen. Die mittels dieser Röhre zu erzeugende Wellenlänge ist annähernd 8 mm. Der Abstand der 100 μ starken Drähte des Gitters von der Kathode ist 300 μ, und diese Drähte sind im Schatten der auf die Rahmen aufgespannten Drähte angeordnet. Der Abstand des Steuergitters von den ersten Drähten auf den Rahmen beträgt 630 μ. Die Kathode erhält gegenüber den Rahmen eine Spannung von —1600 V, und die Spannung des Gitters gegenüber der Kathode ist noch etwas negativ, so daß infolge der vereinigten Wirkung dieses Gitters und der ersten Drähte auf den Rahmen eine Anzahl bandförmiger Elektronenbündel entsteht, die weiter unter Zuhilfenahme eines Magnetfeldes zwischen den Rahmen hindurchgeführt werden. Die Röhre ist stark vergrößert dargestellt. Obgleich die Röhre als Generator dargestellt ist, kann sie auch als Verstärker verwendet werden, wenn in der Nähe der Kathode eine Koppelvorrichtung, z. B. eine öffnung in dem Wellenleiter oder eine Schleife, angeordnet wird. Auf bekannte Weise kann durch Anbringen von Dämpfungsmitteln eine Selbsterregung vermieden werden. Es ist ersichtlich, daß keine besonderen baulichen Schwierigkeiten eintreten, wenn ein Gehäuse gleichen Aufbaus von annähernd zehnmal kleinerer Wellenlänge, also von 0,5 bis 1 mm ausgebildet werden soll.

In Fig. 6 ist 1 wieder die Kathode, die ein bandförmiges Bündel mittels zweier kleiner Bündelplatten 2 und einer Fanganode 3 erzeugt. Der Rahmen ist wieder mit 4 und die starken und dünnen Drähte sind mit 5 bzw. 6 bezeichnet und der Streifen, der die starken Drähte verbindet, mit 7. Der Rahmen ist parallel zu der Längsrichtung des Wellenleiters 31 angeordnet, der sich an den Enden an quer dazu gerichtete Wellenleiter 32 und 33 anschließt, die durch öffnungen 34 und 35 mit den zuerst erwähnten Wellenleitern verbunden sind. Das Elektronenbündel bewegt sich durch die öffnungen 36 und 37. Wird die Vorrichtung als Verstärker verwendet, so vollzieht sich die Energiezuführung bzw. Ableitung durch die Wellenleiter 32 und 33.

In Fig. 7 ist der bewickelte Rahmen samt Drähten und Streifen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. 1, 2 und 6. Parallel zu dem Rahmen ist eine flache Elektrode angeordnet, in der eine Vertiefung 39 angebracht ist. In dieser Vertiefung ist eine drahtförmige Glühkathode 40 angeordnet, und mit dem kleinen Kreuz 41 ist die Richtung des Magnetfeldes bezeichnet, das zwischen den Elektroden parallel zu

den Drahten herrscht. Die Elektrode 38 erhält Kathodenpotential.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Vorrichtung zum Erzeugen, Verstärken oder Modulieren von Millimeterwellen mittels einer elektrischen Entladungsröhre, in der sich ein Elektronenbündel parallel zu einer Ebene und senkrecht zu einer Anzahl in dieser Ebene angeordneter, linearer Elemente eines Schwingungssystems bewegt, wobei diese Elemente etwa eine halbe Wellenlänge lang und ihre gegenseitigen Abstände klein gegen ihre Länge sind, so daß unter dem Einfluß des Elektronenbündeis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen in der Mitte ein Spannungsbauch, an den Enden jedoch Spannungsknoten entstehen und aufeinanderfolgende Elemente gegenphasig schwingen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem aus einer Anzahl von in einem Wellenleiter auf einem kräftigen Rahmen aufgespannten Drähten aus Wolfram oder Molybdän besteht, wobei die Wellenfortpflanzungsrichtung des Wellenleiters parallel zur Ebene des Rahmens liegt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Wahl solcher Betriebsbedingungen, daß die Laufzeit der Elektronen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elementen des Schwingungssystems einer Halbperiode der betrachteten Schwingungen entspricht.
3. 3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte abwechselnd etwas kurzer und etwas länger als die mittlere Länge sind, welche elektrisch etwa einer halben Wellenlänge entspricht.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte abwechselnd dick und dünn sind und daß auf die starken Drähte zwei Metallbänder etwas dichter aneinander als die langen Seiten des Rahmens gelegt sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rahmen aufeinandergeschiditet und die Innenseite der Rahmen derart abgeschrägt sind, daß die Drähte dort an dem Rahmen anliegen, wo die Öffnung am größten ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der auf die außenliegenden Rahmen gespannten Drähte, gemessen senkrecht zu der Richtung der Rahmen, kleiner als die Wellenlänge, zweckmäßig nicht größer als die halbe Wellenlänge der betrachteten Schwingungen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bespannten Rahmen unter Zuhilfenahme leitender Platten zu einem Wellenleiter vervollständigt sind, in dem die Drähte ausgespannt sind und dessen Abmessung in der Längsrichtung der Drähte der halben Wellenlänge entspricht und senkrecht zu der Ebene der Rahmen zwischen der halben und der ganzen Wellenlänge liegt.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorangehen- 6g den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewickelte Länge des Rahmens oder der Rahmen größer ist als die Wellenlänge der betrachteten Schwingungen an der Luft.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der gespannten Drähte kleiner als 0,25 mm und die Teilung zwischen den Drähten kleiner als 1 mm ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der kurzen Seite des Rahmens auf der Seite der Anode gleich einer Viertelwellenlänge der betrachteten Schwingungen ist.

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    Angezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 826 466,

    733 154; britische Patentschrift Nr. 483 888.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

    © 9572 H.