DE935738C - Wanderfeldroehrenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, bei welchen die Wechselwirkung zwischen einem Strom von Ladungsträgern (z. B. Elektronen) und einer elektromagnetischen Wanderwelle ausgenutzt wird, die jetzt allgemein als Wanderfeldröhren bezeichnet werden.

In solchen Wanderfeldröhren bewirkt ein Wellenübertragungskreis (eine Verzögerungsleitung) die Fortpflanzung von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen bei Geschwindigkeiten, die geringer sind als die Lichtgeschwindigkeit. In der Richtung der Wellenfortpflanzung verläuft ein Elektronenstrahl durch das elektrische Feld, welches von dem Wellenübertragungskreis geschaffen wird. Durch geeignete Angleichung der Phasengeschwindigkeit der Wanderwelle und des Elektronenstrahls kann erreicht werden, daß eine verstärkende Wechselwirkung zustande kommt. Dabei beschleunigt die Hochfrequenzwelle in dem Wellenübertragungskreis Elektronen innerhalb des Elektronenstrahls, wodurch in demselben eine Wechselstromgeschwindigkeitskomponente zustande kommt, welche eine Wechselstrom-Konvektionsstromkomponente hervorruft. Diese letztgenannte Komponente erzeugt ihrerseits ein eigenes Hochfrequenzfeld, welches sich mit dem Hochfrequenzfeld des Wellenübertragungskreises verbindet. Wenn die Hochfrequenzwelle und der Elektronenstrahl in geeigneter Weise synchronisiert sind, so haben die verstärkende Wirkung und die Reaktion zwischen dem Hochfrequenzfeld des Kreises und der Wechselstromkomponente in dem Elektronenstrahl die Bildung einer Welle, welche beim Vorbeigang an dem Kreis an Größe zunimmt und das

Entstehen einer Wechselstromkomponente, welche längs des Elektronenstroms wächst, zur Folge.

Bei solchen Röhren ist es im Interesse einer hohen Verstärkung wichtig, einen Wellenübertragungskreis anzuwenden, welcher hohe Impedanz besitzt, um eine wirksame Kopplung zwischen der Welle und dem Elektronenstrahl hervorzurufen. Außerdem ist es für Breitbandfrequenzbetrieb erwünscht, daß die Kopplung über den in Frage stehenden Frequenzbereich im ίο wesentlichen gleichförmig ist. In beiden Hinsichten ist der Wellenübertragungskreis in Form einer Wendel, welche aus einem in Schraubenlinienform gewickelten drahtförmigen Leiter besteht, gut geeignet, und demgemäß hat ein solcher Kreis weite Anwendung als elektrischer Kreis gefunden, wenn es auf hohe Verstärkung und Breitbandbetrieb besonders ankommt. Die für solche Wendelkreise benötigten Dimensionen stehen nun aber leider in unmittelbarer Beziehung zu den Wellenlängen in dem beabsichtigten Arbeitsbereich. Beispielsweise ist es üblich gewesen, eine Wendel zu benutzen, bei welcher die Windungslänge gleich oder kleiner ist als die halbe Länge der Betriebswelle. Es hat sich nicht als zweckmäßig erwiesen, mit größeren Wendelabmessungen zu arbeiten, da oberhalb der angegebenen Grenze die Strahlungsverluste des Kreises rasch zunehmen und die Wirksamkeit der Kopplung absinkt. Infolgedessen sind für den Betrieb im Bereich der kurzen Mikrowellen sehr feine und empfindliche Wendeln erforderlich geworden. Solche Wendein sind jedoch schwierig herzustellen und auch schwierig einzubauen. Darüber hinaus ist ihre Eignung zur Leistungsdämpfung so begrenzt, daß sie sich für den Betrieb bei höheren Leistungen nicht eignen.

Durch die französische Patentschrift 958 202 ist es auch bereits bekanntgeworden, Wanderfeldröhren mit wendeiförmigen Bandleitern auszustatten. Darüber hinaus ist es durch die britische Patentschrift 677 999 bekanntgeworden, die Teile des die Windungen trennenden Spaltes klein gegenüber der Wendelbandbreite zu machen.

Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein an sich bekannter Wellenübertragungskreis verwendet, welcher aus einem wendelförmig gewickelten Bandleiter besteht, dessen Breitendimension parallel zur Richtung des Elektronenflusses verläuft und dessen kleine Dimension quer zum Elektronenfluß gerichtet ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei geeigneter Bemessung eine solche Bandwendel wirksam bei größeren Windungslängen betrieben werden kann als es bei den üblichen Drahtwendeln der Fall ist.

Es wurde festgestellt, daß trotz der Tatsache, daß die Strahlungsverluste zunehmen, wenn der Wendelumfang größer wird als die halbe Wellenlänge der betriebsmäßigen Grenzfrequenz, diese Strahlungsverluste wieder abnehmen, wenn der Wendelumfang sich der Größe von drei Halbwellenlängen nähert. Allgemein hat es sich gezeigt, daß die Strahlungsverluste selbst bei großem Wendelumfang gering gehalten werden können, wenn die Windungslänge erfindungsgemäß so bemessen ist, daß sie einer ganzzahligen ungeraden Vielfachen einer Halbwellenlänge der Betriebsfrequenz nahe kommt. Darüber hinaus wurde außerdem festgestellt, daß, obgleich im allgemeinen die Kopplungswirkung von Drahtwendeln solch großer Windungen gering ist, da der größte Teil der Signalwellenenergie zur Anregung höherer Harmonischen in dem Elektronenstrahl verbraucht wird, die Kopplungswirkung durch die Verwendung von Bandwendeln merklich vergrößert werden kann. Durch die Bandwendeln wird der Bereich der Wechselwirkung zwischen der Wanderwelle und dem Elektronenstrahl auf eine Reihe verhältnismäßig schmaler Lücken mit höherer Feldstärke beschränkt.

Bei einer beispielsweisen speziellen Ausführungsform der Erfindung, die noch näher beschrieben werden soll, ist das Wendelband so gewickelt, daß die Windungslänge etwa drei halben Längen der freien Raumwelle der Betriebsfrequenz entspricht. Die Bandbreite entspricht vier Fünftel der Ganghöhe, so daß zwischen den Windungen Spalte von etwa ein Fünftel Ganghöhe frei bleiben. In diesen Spalten findet praktisch die gesamte Wechselwirkung statt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung Bezug genommen.

Fig. ι zeigt eine Wanderfeldröhre, in welcher ein aus einer Bandwendel bestehender Kreis entsprechend der Erfindung eingebaut ist.

Fig. 2 veranschaulicht eine Reihe von Bildern, welche eine einfache physikalische Darstellung der Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und der längs der Bandwendel sich fortpflanzenden Wanderwelle wiedergeben.

In Fig. ι ist schematisch ein Wanderwellenverstärker 10 veranschaulicht, in welchem ein aus einer Bandwendel bestehender Wellenkreis eingebaut ist. Die verschiedenen zur Röhre gehörenden Teile sind in einer evakuierten rohrförmigen Hülle 11 eingeschlossen, welche zweckmäßig aus nichtmagnetischem Material, z. B. aus Kupfer, besteht, welches einen widerstandsfähigen Aufbau ermöglicht und doch Störungen des Magnetfeldes vermeidet, welches üblicherweise für die parallele Ausrichtung des Elektronenstrahls Anwendung ^findet. An einem Ende der Hülle 11 ist unter Zwischenfügung einer Isolation eine Elektronenquelle 12 üblichen Auf baus vorgesehen, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, welcher sich für die Wechselwirkung mit dem von dem Wellenübertragungskreis hervorgerufenen elektromagnetischen Feld eignet. Eine solche Elektronenquelle umfaßt üblicherweise eine Elektronen aussendende Kathode, ein Heizelement, ein Steuerelement für die Beeinflussung der Intensität und verschiedene Elektroden für die Ausrichtung und Beschleunigung des Strahles. Von allen diesen Teilen ist der Vereinfachung wegen nur die Kathode gezeigt. Am gegenüberliegenden Ende der Hülle ist eine Auffangelektrode 13 angeordnet, welche mit der Elektronenquelle eine längliche Bahn für den Elektronenfluß begrenzt. Ein außerhalb der Hülle 11 angeordnetes Solenoid 14 erzeugt ein in der Längsrichtung wirksames Magnetfeld, um die in der Querrichtung verlaufende Komponente des Elektronenflusses zwischen der Elektronenquelle und der Auffangelektrode so klein wie möglich zu halten. Längs dieser Bahn des Elektronenflusses ist der Wellenübertra-

gungskreis angeordnet, welcher aus einem wendelförmig gewickelten Bandleiter 15 besteht. Es ist üblich, einen hohlen zylindrischen Elektronenstrahl anzuwenden, der sich parallel und in der Nähe der Breitendimension des Bandleiters fortbewegt.

Um die mit der Erfindung verfügbar gemachten Vorteile auszunutzen, ist die Bandwendel so gewickelt, daß die Windungslänge einer Vielzahl von Halbwellenlängen der Betriebsfrequenz entspricht. Wie bereits oben gesagt wurde, sind die Strahlungsverluste von der Wendel auf ein Mindestmaß verringert, d. h. das elektrische Feld strahlt nicht weit aus, sondern ist zu einer dünnen Schale konzentriert, welche in unmittelbarer Nähe der Wendel liegt und demgemäß ausgenutzt werden kann, wenn jede Windung eine Länge von angenähert einer ungeraden Anzahl von Halbwellenlängen der Betriebswellenlänge hat. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Windungslänge angenähert gleich drei Halbwellen der Betriebswellenlänge. Es ist verständlich, daß damit ein Wendeldurchmesser ermöglicht ist, welcher praktisch dreimal so groß ist wie der Durchmesser der üblichen Drahtwendel, welche so gewickelt ist, daß die Windungslänge angenähert einer halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht.

Die Röhre wird in der bei Wanderfeldröhren üblichen Weise betrieben. Eine in dem Wellenleiter 17, welcher einen Teil eines Wellenübertragungssystems darstellt, ankommende elektromagnetische Welle wird mittels geeigneter Übertragungsmittel an das Ende der Bandwendel angelegt, welches der Elektronenquelle am nächsten liegt. Die Welle pflanzt sich danach längs der Wendel bis an das entgegengesetzte Ende 19 fort. Die Elektronenquelle wird so erregt, daß sie einen Elektronenfluß längs der Bandwendel erzeugt. Der Elektronenstrahl durchfließt dabei das ihn umgebende elektrische Feld. Um dem Elektronenstrahl eine Beschleunigung in der Längsrichtung zu erteilen, wird die Elektronenquelle bei einem Potential betrieben, welches gegenüber den Potentialen der Bandwendel und der Auffangelektrode negativ ist. Diese Potentialdifferenz wird mittels geeigneter Spannungsquellen geschaffen. Üblicherweise werden diese Potentiale so gewählt, daß die Geschwindigkeit des Elektronen-Strahls im wesentlichen ebenso groß ist wie die Geschwindigkeit der in der Längsrichtung oder axialer Richtung stattfindenden Wellenfortpflanzung, so daß eine verstärkende Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der Wanderwelle sichergestellt werden kann. Am entgegengesetzten Ende des Wellenkreises wird die verstärkte Welle von dem Ende 19 der Bandwendel mittels geeigneter Übertragungsmittel abgenommen und auf den Wellenleiter 20 übertragen, welcher die Fortsetzung des den Wellenleiter 17 enthaltenden Wellenübertragungssystems bildet.

Wenn die Wanderwelle und der Elektronenstrahl synchronisiert sind, so ist erkennbar, daß ein Elektron eine Zeit von ³/₂ T benötigt — wobei T die Strahlungsdauer bezeichnet — um die Strecke entsprechend einer Ganghöhe zurückzulegen, da dies die Zeitspanne ist, die die Wanderwelle benötigt, um sich um eine volle Windung fortzupflanzen. Bei Mikrowellenfrequenz, und zwar unter den erwünschten ausstrahlungsfreien Bedingungen, sinkt das elektrische Feld mit der Entfernung von dem Leiter stark ab, so daß das axiale elektrische Feld nur innerhalb einer dünnen Schale an den Leiterkanten, welche sich in die Lücke zwischen den Wendelwindungen erstrecken, für die verstärkende Wirkung verhältnismäßig brauchbar ist. Demgemäß konnte festgestellt werden, daß ein zu breiter Spalt zwischen den Windungen eine unwirksame Kopplung zwischen dem Strahl und der zu verstärkenden Wellenkomponente zur Folge hat, da bei breiten Spalten ein beträchtlicher Anteil der verfügbaren Energie dazu verbraucht wird, harmonische Komponenten der Welle zu verstärken, was aber, abgesehen von speziellen Anwendungsfällen, nutzlos ist. Um die Kopplung mit der Hauptkomponente der Wanderwelle zu steigern und dadurch eine höhere Kopplungswirkung zu erzielen, wird eine breite Bandwendel benutzt, um den Spalt zwischen den Windungen zu verkleinern. Im besonderen läßt sich zeigen, daß bei einer Wendel mit einer Windungslänge von drei Halbwellenlängen die wirksamste Kopplung erreicht wird, wenn das Verhältnis zwischen Bandbreite und Spaltbreite etwa 4: ι ist, d. h. wenn die Bandbreite etwa 0,8 der Ganghöhe einnimmt. Bei Wendeln mit einer größeren Windungslänge kann erwartet werden, daß dieses Verhältnis noch größer ist.

Bandwendel mit derartig großem Verhältnis zwischen Breite und Spalt lassen sich in sehr einfacher Weise dadurch herstellen, daß man einen hohlen Metallzylinder mit einer Nut versieht, welche längs einer Schraubenlinie verläuft. Der in der Zeichnung veranschaulichte wendeiförmige Bandleiter 15, welcher in der Röhre 10 den Wellenleiter bildet, ist in dieser Weise ausgeführt. Ein dünnwandiger Zylinder 21 von ausreichender Länge, welcher sich von dem Eingangswellenleiter 17 bis zum Ausgangswellenleiter 20 erstreckt, ist mit einer wendeiförmigen Nut 22 versehen, welche sich von dem Punkt 18 bis zum Punkt 19 erstreckt. Diese Nut bildet den Spalt zwischen den Wendelwindungen. Dadurch, daß man die Nut vor dem Ende des Zylinders 21 endigen läßt, bleiben nutfreie Endabschnitte bestehen, mittels welcher der Wellenkreis einfach innerhalb der Bahn des Elektronenflusses abgestützt werden kann. Im Interesse einer besseren Scheinwiderstandsanpassung an den Eingangsund Ausgangswellenleitern ist es vorteilhaft, die Gang- · höhe der Nut an jedem Ende abnehmen zu lassen, wie es der bekannten Praxis bei Drahtwendeln entspricht. Es entsteht dadurch ein geeignetes Übertragungsmittel. Gewünschtenfalls kann die Wendel natürlich durch schraubenförmige Wicklung eines bandförmigen Leiters hergestellt werden. In diesem Falle kann man die Wendel in der Bahn des Elektronenflusses mit Hilfe üblicher Mittel, z. B. mit Hilfe von Abstandhaltern festlegen.

In Fig. 2 ist eine Reihe von Bildern gezeigt, welche die Felder veranschaulichen, welche auf ein Elektron bei seiner Längsbewegung um eine Ganghöhe einwirken. Bei A ist angenommen, daß ein Elektron 31 ich in der Nähe des Bandleiters 33 der Wendel und in einem der Spalte 32 zwischen Wendelwindungen in !Üiem Zeitpunkt t = ο befindet, worin t die Zeit bezeichnet, welche das Elektron benötigt, um sich von

diesem Startpunkt fortzubewegen, wenn das axiale elektrische Feld an dem Spalt, welcher vektoriell mit E dargestellt ist, ein Maximum ist und der Elektronenbewegung entgegengesetzt gerichtet ist. Das Elektron verliert bei der Durchquerung des Spaltes 32 Energie und verlangsamt sich entsprechend. Nach der Durch-' querung des Spaltes bewegt sich das Elektron nahe der Oberfläche der Wendelleiter, wo das axiale elektrische Feld klein ist, und zwar dank des Vorhandenseins des bandförmigen Leiters, wie es in den Darstellungen B bis F veranschaulicht ist. Während der Zeit, für weiche sich das Elektron nahe der Bandwendel aufhält, fällt das Feld an dem nächsten Spalt 34 auf Null, vervollständigt dann seinen Zyklus und wächst in der Verzögerungsrichtung auf ein Maximum, wenn das Elektron entsprechend der Darstellung in dem BiIdG dort ankommt. Die verschiedenen relativen Lagen der Wendel längs einer Ganghöhe sind durch Werte des Verhältnisses tjT veranschaulicht, wobei T die Dauer einer Ausstrahlung der Signalwelle ist. Auf diese Weise gibt das Elektron Energie zur Erregung der Wendelwelle bei jeder Spaltdurchquerung ab, während es durch das Feld zwischen den Spaltdurchgängen nur wenig beeinflußt wird.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß wegen der diskontinuierlichen Wechselwirkung, die für einen Bandwendelkreis typisch ist, ein solcher Kreis sich für die Betriebsart mit Raumharmonischen gut eignet. Dabei sind die relativen Geschwindigkeiten der Welle und des Elektronenstrahls derart, daß, während ein Elektron den Durchschnittsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Intervallen durchquert, in welchen die Stärke der Wechselwirkungskomponente des Feldes groß ist, die Welle im wesentlichen die gleiche Strecke zuzüglich einem ganzzahligen Mehrfachen der Wellenlänge zurücklegt. Bei Verwendung eines solchen Bandwendelkreises ist es darüber hinaus vorteilhaft, einen hohlen Elektronenstrahl von kreisförmigem Querschnitt zu verwenden. Das ist ein Faktor, der bei den meisten vorbekannten Kreisen für Raumharmonische nicht besteht. Die Vorteile eines solchen Elektronenstrahls sind bekannt. Man kann einen solchen Strahl leicht entweder innerhalb oder außerhalb der Bandwendel vorsehen.

Wie ersichtlich, kann ein Wendelband dieser Type in ähnlicher Weise als Wellenkreis in Verstärkern benutzt werden, welche nicht einen zusammen¹ hängenden Wellenkreis benutzen, sondern getrennte Eingangs- und Ausgangswellenkreise verwenden, um stromaufwärts Signalmodulationen auf die Bahn eines Elektronenstroms zu induzieren und stromabwärts an der Bahn des Elektronenstroms Ausgangswellen abzunehmen, wie es bei den verschiedenen Ausführungen von Raumladungsverstärkern der Fall ist. Im übrigen ist es verständlich, daß ein Wellenkreis dieser Art auch bei anderen Vorrichtungen als Verstärker Anwendung finden kann, welche von der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrom und Wanderwellen Gebrauch machen.

Es ist demgemäß zu beachten, daß die beschriebene spezielle Ausführungsform lediglich zur Erläuterung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung dienen soll. Zahlreiche andere Anordnungen sind für einen Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet verfügbar, ohne daß dadurch von dem Wesen und Umfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wanderfeldröhrenanordnung, in welcher ein Elektronenstrahl mit einer elektromagnetischen Welle hoher Frequenz, welche längs des Übertragungsweges durch die Röhre vom Eingangszum Ausgangsende wandert, in Wechselwirkung steht und der Übertragungsweg von einem wendeiförmigen Band gebildet wird, dessen Breitseite parallel zur Wendelachse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des die Windungen trennenden Spaltes angenähert einem Viertel der Wendelbandbreite entspricht und daß dieUmfangslänge jeder Windung des wendeiförmigen Übertragungsweges angenähert einem ganzzahligen ungeraden Vielfachen der Halbwellenlänge der dem Übertragungsweg aufgedrückten hochfrequenten elektromagnetischen Welle entspricht.

2. Wanderfeldröhrenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungslänge angenähert gleich drei Halbwellenlängen der elektromagnetischen Welle ist.

3. Wanderfeldröhrenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendelleiter aus einem selbsttragenden, dünnwandigen Zylinder besteht, der eine von einem Punkt am Eingangsende bis zu einem Punkt am Ausgangsende der Röhre reichende wendeiförmige Nut aufweist, wobei die Endpunkte der Nut nahe an den entsprechenden Enden des Zylinders liegen.

Angezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 958 202;
britische Patentschrift Nr. 677990.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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