DE927758C - Anordnung zur Ausuebung eines Verfahrens zum Betrieb von Laufzeitroehren - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 16. MAI 1955

Aii6o6VnicJ2ig

ist als Erfinder genannt worden

Zusatz zum Patent 908

(Ges. v. 15. 7. 1951)

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von in bestimmter Phasenlage zueinander stehenden Strömen im Bereich der ultrakurzen Wellen. Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen die einzelnen Dipole einer Richtantenne mit Spannungen einer gleichen Frequenz, jedoch verschiedener Phase erregt werden. Der Betrieb derartiger Anordnungen bereitet jedoch bei Ultrakurzwellen große Schwierigkeiten.

Im Hauptpatent ist nun ein Betriebsverfahren für Laufzeitröhren angegeben, nach dem eine Elektronenströmung durch eine Steuereinrichtung derart in ihrer Geschwindigkeit moduliert wird, diaß sie sich erst außerhalb des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodulation umwandelt, die dann, wie in denAusführungsbeiispielen des Hauptpatents gezeigt, zur Anregung des Ausgangskreises Anwendung finden kann.

Die Erfindung geht nun von einer Laufzeitröhre aus, die nach dem im Hauptpatent beschriebenen Betriebsverfahren arbeitet. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Erzeugung von in bestimmter

Phasenlage zueinander stehenden Strömen im Bereich der diehtemoduMerten Elektronenströmung mehrere Auskoppelvorrichtungen anzuordnen.

Zum besseren Verständnis sollen vor der ausführ liehen Erläuterung der Erfindung die mögliehen Steuerungsarten einer Elektronenströmung näher dargelegt werden. Ein Elektronenstrom, welcher zwischen den Elektroden einer Vakuumröhre fließt, kann entweder in der Mektronengeschwindigkeit ίο oder in der Ladungsdichte moduliert werden. Bei der ersten Modulationsart werden systematische Unregelmäßigkeiten von Punkt zu Punkt längs des Strahles erzeugt. Die zweite Modulationsart betrifft die Erzeugung von Ladungsdichteänderungen, wobei diese Änderungen aus. systematischen Unregelmäßigkeiten in der Elektronengruppierung bestehen. In den üblichen elektrischen Entladungsgefäßen wird zwischen diesen beiden Modulationsarten nicht unterschieden. Beim Arbeiten mit ultrakurzen Wellen werden jedoch weitaus bessere Ergebnisse erzielt, wenn Anordnungen verwendet werden, in denen die Modulation der 'Geschwindigkeit und diejenige der Ladungsdichte getrennt bewirkt werden. In dem Hauptpatent sind derartige Steuerelektrodenanordnungen beschrieben, welche zur Modulation der Geschwindigkeit eines Elektronenstrahles dienen, ohne daß gleichzeitig merkliche Ladungsdichteänderungen in der Nadhbarschaft der --Steuerelektrode auftreten. Bei dieser Anordnung werden die Eingangsverhiste 'gegenuber den bekannten Ultrakurzwellenröhren wesentlich herabgesetzt. Die Modulation der Geschwindigkeit wird sodann in eine. Modulation der Ladungsdichte von 'höherer Größenordnung umgeformt, so daß Ver-Stärkerwirkungen erzielt werden..

Das Geschwindigkeitsmodulationsprinzip ist insbesondere bei Kathodenstrahlröhren anwendbar, bei denen der Eiektronenstrom an verschiedenen Stellen seines Laufweges beeinflußt werden kann. In der Zeichnung ist in zum Teil schematischer Weise ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Das vakuierte Gefäß besteht aus eiriem länglichen Schaftteil 10 und einem verbreiterten, die Anode enthaltenden Teil 11. Das Gefäß selbst besteht zweckmäßig aus Glas, Quarz oder einem anderen äquivalenten Isolierstoff. Der Schaftteil 10 enthält,das Strahlerzeugungssystem, welches aus einer Kathode 14- (punktiert dargestellt) und einem Fokussierungszylinder 15 besteht. Dieser Fokussierungszylinder ist entweder direkt mit der Kathode verbunden oder liegt an einer einige Volt negativeren Spannung näher zur Kathode. Zur Beschleunigung der Elektroden dient die Beschleuniigungselektrode r6, die in einer geringen Entfernung von der Kamode angeordnet ist und an einer in Bezug zur Kathode hohen Spannung, beispielsweise mehrere 100 Volt, liegt. In dem mittleren Teil des Elektronenlaufweges sind Elektroden 21 angeordnet, welche beispielsweise aus leitenden Streifen, die vorzugsweise kreisförmig auf die innere Wandungsoberfläche aufgebracht sind, bestehen. Diese Elektroden dienen zur Festlegung der Spannung der inneren Oberfläche der· Gefäßwandung. Die Elektroden 21 sind mit äußeren Kontaktanschlüssen 23 verbunden. Um das Entladungsgefäß herum ist eine Reihe von magnetischen Fokussierungsspulen 25 angeordnet, um den Elektronenstrahl während des Durchlaufens des Gefäßes fokussiert zu erhalten. Manchmal kann es, auch vorteilhaft sein, diese Magnetspulen durch elektrostatische Fokussierungsvorrichtungen zu ersetzen.

Nachdem der Elektronenstrahl das Entladungsgefäß durchquert hat, wird -er von der aus Graphit oder einem anderen geeigneten Werkstoff bestehenden Anode 18 aufgefangen. Zur Vermeidung der Rückkehr der von der Anode emittierten Sekundäreilektronen in den Entladungsraum dient ein rohrförmiges Bremsgitter 19.

Beim Betrieb des Entladungsgefäßes liegen die Zwischenelektroden 21 an Erde, die Kathode 14 an einer niedrigeren Spannung als die Elektroden 21 und die Anode 18 an einer 1 bis mehrere 1000 Volt höheren Spannung als die Kathode. Das Bremsgitter 19 liegt an einer 50 oder mehrere 100 Volt negativeren Spannung als die Anode 18. Die Spannungen werden von einer geeigneten Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie 27, geliefert.

Das oben beschriebene Elektrodensystem dient zur Erzeugung eines gerichteten Elektronenstrahles von im wesentlichen konstanter Durchschnittsintensität und -geschwindigkeit. Zur Modulation- des Elektronenstrahles dient eine Modulationskammer oder Modulationsraum, welche bzw. welcher sich zwischen den rohrförmigen Elektroden 31 und 32, die den Elektronenlaufweg umgeben, befindet. Innerhalb dieses Raumes ist eine rohrförmige Steuerelektrode 30 angeordnet. Die rohrförmigen Elektroden 31 und 32 sind beide geerdet. Durch abwechselndes Steigern bzw. Erniedrigen der an der Elektrode 30 liegenden Spannung in Bezug zu den Elektroden 31 und 32 wird die Modulation des Elektronenstrahles bewirkt. Der Modulationsgrad wird am stärksten sein, wenn die Länge der rohrförmigen Elektrode 30 in einer derartigen Beziehung zur Stralhlgeschwindigketit steht, daß die Elektronenlaufzeit durch diese Elektrode 30 wenigstens ungefähr einer halben Periode der S teuer spannung oder einer ungeraden Zahl solcher Halbperioden entspricht. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird ein Elektron, welches in den Modulationsraum zu einem Zeitpunkt eintritt, wenn die Spannung der Steuerelektrode 30 ihr Maximum erreicht hat, beschleunigt. Da das Elektron aus der Elektrode eine halbe Periode später (d.h. wenn die Elektrodenspannung ihr Minimum erreicht hat) heraustritt, wird ferner eine zweite Beschleunigung in dem Raum zwischen dem llinken Ende der Elektrode und der Elektrode 32 erfolgen. In entsprechender Weise wird ein Elektron, welches beim Eintreten in den Modulationsraum verzögert wird, auch beim Verlassen des Modulationsraumes nochmals verzögert werden. Folglich wird der aus dem Modulationsraum heraustretende Strahl durch die aufeinanderfolgenden Beschleunigungs- und Verzögerungs Wirkungen in dem Sinne in seiner Geschwin-

digkeit moduliert sein, daß periodische Änderungen der Elektronengeschwindigkeit von Punkt zu Punkt längs des Strahles bestehen werden. Der Strahl wird nämlich aus Elementen bestehen, deren Geschwindigkeit über der Durchschnittsgeschwindigkeit des Strahles liegt, und aus solchen Elementen, deren Geschwindigkeit unter der Durchschnittsgeschwindigkeit des Strahles liegt.
Die Modulationsspannung wird der Steuerelektrode 30 von einer geeigneten Spannungsquelle, beispielsweise einem Hochfrequenzgenerator, geliefert. Zur Verbindung der Spannungsquelle mit der Elektrode 30 dient eine konzentrische Rohrleitung, welche aus einem inneren Leiter 35 und einem äußeren Leiter 36 besteht.

Wenn nur schwache S teuer spannungen zur Verfugung stehen, wird die bewirkte Geschwindigkeitsmodulation verhältnismäßig gering sein. Diese geringe Geschwindigkeitsmodulation kann jedoch in eine Ladungsdichtemodulation von wesentlich höherer Größenordnung umgeformt werden.

Der aus dem Modulationsraum austretende Strahl wird aus abwechselnden Gruppen von schnellen und langsamen Elektronen bestehen. An der Grenze der Modulationskammer wird der Strahl, was die Ladungsdichte betrifft, im wesentlichen gleichmäßig sein. Zu einem späteren Zeitpunkt werden jedoch die schnellen Elektronen die langsameren Elektronen eingeholt haben, so daß Elektronenansammlungen von Punkt zu Punkt längs des Strahles erzeugt werden.

Die Umformung des in der Geschwindigkeit modulierten Strahles in einen in seiner Ladungsdichte moduliierten Strahl erfordert lediglich eine gewisse Zeit sowie die Abwesenheit von fremden Einflüssen, welche entgegengesetzt auf den Strahl einwirken können. Diese Forderungen werden praktisch dadurch erfüllt, daß der in seiner Geschwindigkeit modulierte Strahl durch einen verhältnismäßig längeren Lauf raum geführt wird, in dem die Elektronengruppierung stattfinden kann. Dieser Laufraum befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel' innerhalb des leitenden Rohres 32.

Wenn der Lauf raum genügend lang ist, kann eine sehr geringe Geschwindigkeitsmodulation in eine weit höhere Ladungsdichtemodulation umgeformt werden, so daß eine Verstärkerwirkung erzielt wird. Wenn jedoch die Eingangssteuerspannung oder das Signal, zu schwach ist, genügt eine einfache Verstärkerstufe nicht, um eine genügende Ausgangsleistung zu erzielen. Es ist daher vorteilhaft, eine mehrstufige Verstärkeranordnung zu verwenden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeisp'iel ist beispielsweise eine zweite Modulationsverstärkungskammer vorgesehen, welche sich zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der rohr-, förmigen Elektrode 32 und der rohrförmigen Elektrode 38 befindet. Innerhalb dieser Kammer ist eine rohrförmiige Elektrode 40 angeordnet, welche im wesentlichen der Elektrode 30 entspricht.

Durch den in seiner Ladungsdichte modulierten Strom wird in der Elektrode 40 ein periodisch veränderlicher Strom erzeugt, dessen Frequenz der Modulationsfrequenz entspricht. Die Größe dieses induzierten Stromes erreicht ihr Maximum, wenn die Länge der Elektrode 40 ungefähr der Entfernung zwischen aneinandergrenzenden Ladungsdichtemaxima und Ladungsdichteminkna entspricht.

Die Elektrode 40 und die Metall'rohre 32 und 38, welche beide geerdet sind, sind über eine koaxiale Rohrleitung 42, 43 miteinander verbunden. Der innere und der äußere Leiter dieser Rohrleitung stehen an der Stelle 44 miteinander in Verbindung, wobei dieser Punkt 44 ungefähr eine Viertelwellenlänge von dem offenen Ende der Rohrleitung entfernt ist.

Bei der oben beschriebenen Anordnung werden durch die in der Elektrode 40 induzierten Ströme stehende Wellen in der koaxialen Rohrleitung erzeugt, und zwar liegt ein Spannungsmaximum oder Spannungsbauch an dem offenen Ende. Diese Spannung hat einen periodisch veränderlichen Charakter und besitzt eine Frequenz, welche durch die Frequenz der ursprünglichen Modulationsspannung bestimmt ist. Durch die Elektrode 40 wird in entsprechender Weise wie durch die Elektrode 30 eine Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahles bewirkt. Da die Spannungsschwankungen an der Elektrode 40 wesentlich größer als an der Eingangselektrode 30 sind, wird auch die Geschwindigkeitsmodulation wesentlich größer als die ursprüngliche Modulation sein. Folglich wird der Elektronenstrahl nach dem Durchqueren der zweiten Modulationskammer im wesentlichen durch die von der Elektrode 40 bewirkte Modulation gesteuert. Anfangs - sind die Geschwindigkeitsänderungen nur verhältnismäßig gering. Nachdem der Elektronenstrahl jedoch einen weiteren Laufraum innerhalb des Metallrohres durchquert hat, wird die Geschwindigkeitsmodulation in eine Ladungsdiehteinodulation umgeformt. Das Röhr 38 besitzt zweckmäßig die Länge, welche notwendig ist, um eine möglichst vollständige Umformung zu erzielen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieauskopplung aus dem in seiner Ladüngsdichte modulierten Strahl, und zwar sollen dde ausgekoppelten Ströme oder Spannungen in einer gewünschten Phasenbeziehung zueinander stehen. Zu diesem Zweck durchquert der Elektronenstrahl eine Reihe von hintereinander angeordneten Ausgangselektroden 46,47, 48. Diese Elektroden umgeben den Elektrodenstrahl möglichst dicht, um eine gute Kopplung zu erzielen. Die Wirkungsweise dieser Elektroden ist im folgenden an der Elektrode 46 näher erläutert. In entsprechender Weise wie die Elektroden 30 und 40 ist auch die Elektrode 46 innerhalb einer Modulationskammer angeordnet. Diese Modulationskammer befindet sich zwischen den Enden der Rohre 38 und 30. Beim Durchqueren dieser Modulationskammer werden durch den modulierten Strahl in der Elektrode 40 Ströme erzeugt, deren Frequenz der Modulationsfrequenz des Strahles entspricht. Um eine maximale Wirkung zu erzielen, wird die minimale Länge der Elektrode

so bemessen, daß sie ungefähr der Entfernung zwischen einem Ladungsdichtemaximum und einem daran grenzenden Ladungsdichteminimum entspricht. Der Strahl¹ besitzt bei dem Durchqueren der Elektrode 46 dieselbe Geschwindigkeit wie der Teil des Strahles, welcher die Elektrode 40 durchquert, wenn die Dimensionen der Elektroden 40 und 46 gleich sind'. An die Elektrode 46 ist eine koaxiale Leitung 52,53, welche einen hohen Wellenwiderstand besitzt, angeschlossen. Wenn diese Leiter 52, 53 eine Länge besitzen, welche einer Viertelwelle entspricht, wird sich an dem der Elektrode 46 zugewandten Ende ein Spannungsmaximum und an dem entgegengesetzten Ende ein Strommaximum befinden. Die Elektrode 46 ist über eine geeignete Kopplung mit einem entsprechenden Verbraucherkreis, beispielsweise einer Halbwellenantenne 55, verbunden.

Die Elektrode 47 wird genau die gleiche Wirkung wie die Elektrode 46 zeigen. Lediglich werden die in dieser Elektrode induzierten Ströme von den in der Elektrode 46 induzierten Strömen in der Phase verschoben sein. Dieses rührt daher, daß ein Dichtemaximum die Elektrode 47 etwas später als die Elektrode 46 erreicht. Die in den Elektroden 46 und· 47 induzierten Ströme zeigen, gemeinschaftlich betrachtet, einen mehrphasigen Charakter. Die Phasenbeziehung ist durch die Entfernung der Elektroden voneinander bestimmt. Beispielsweise sind die Ströme um 120⁰ phasenverschoben, wenn ein Ladungsdichtemaximum die Elektrode 47 eine Drittelperiode später erreicht als die Elektrode 46.

Zweckmäßig sind die axialen Dimensionen der

Elektrode 47 etwas kleiner als die der Elektrode 46.

Dieses muß erfolgen, da durch die Einwirkung der Elektrode 46 auf den Elektronenstrahl während der Energieauskupplung die Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektronenstrahles herabgesetzt wird. Folglich wird auch die Geschwindigkeit des Strahlteiles, welcher die Elektrode 47 durchquert, etwas vermindert. Die Entfernung zwischen einem Ladtmgsdichtemaximum und einem Ladungsdichteminimum ist also bei der Elektrode 47 geringer als bei der Elektrode 46.

Mit Hilfe der Elektrode 48 kann ein dritter Strom gewonnen werden, welcher wiederum phasenverschoben zu den beiden anderen Strömen ist. Beispielsweise ist diese Elektrode so angeordnet, daß die Phasenverschiebung gegenüber der Elektrode 47 i20° beträgt Die Länge dieser Elektrode 48 ist wiederum etwas herabgesetzt, um die Geschwindigkeitsverminderung des Strahles auszugleichen.

Die in den Elektroden 47 und 48 erzeugten Ströme dienen zur Speisung von Antennen 56 und 57, welche in geeigneter Weise zu der Antenne 55 angeordnet sind. Die so gebildete Antennenanordnung wird als Richtantenne zur Erzeugung bestimmter Signale Verwendung finden können. Wenn die Richtwirkungen geändert werden sollen, ist es lediglich erforderlich, die Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Erregerströmen durch Änderung der Abstände der Elektroden 46, 47,48 voneinander zu wechseln.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Ausübung eines. Verfahrens nach Patent 908 743, bei dem eine Elektronenströmung durch eine Steuereinrichtung derart in ihrer Geschwindigkeit moduliert wird, daß sich die Geschwindigkeitsmodulation erst außerhalb des Wirkungsbereiches der Steuereinrichtung in eine Dichtemodulation umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der dichtemodulierten Elektronenströmung mehrere Auskoppelvorrichtungen angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelvorrichtungen derart längs des Elektronenstrahlweges verteilt angeordnet sind¹, daß die einzelnen in den Vorrichtungen angeregten Ausgangsspannungen untereinander phasenverschoben sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelvorrichtungen als· Zweifeldkammern ausgebildet sind und daß der Abstand der beiden Auskoppelfelder in einer Kammer jeweils wenigstens angenähert gleich dem Abstand zwischen einem Ladungsdichtemaximum und Ladungsdichteminimum in der Elektronenströmunggewählt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Dimensionen der Auskoppelvorrichtungen in Richtung der Elektronenströmung entsprechend der Verminderung der Elektronengeschwindigkeit abnehmend ausgebildet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelelektroden außerhalb des Vakuumgefäßes und in ihrer Lage längs des Elektronenstrahles einstellbar angeordnet sind.

Angezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 820 929.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 509 504 S. SS