DE942282C

DE942282C - Verstaerkungseinrichtung fuer Mikrowellen

Info

Publication number: DE942282C
Application number: DEP6921A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Fritz Luedi
Original assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Current assignee: Patelhold Patenverwertungs and Elektro-Holding AG
Priority date: 1951-02-16
Filing date: 1952-01-12
Publication date: 1956-05-03
Also published as: NL86160C; US2622158A; FR1050701A; CH289526A; NL159777B; GB695187A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AUSGEGEBEN AM 3. MAI 1956

DEUTSCHES PATENTAMT PATENTSCHRIFT

JTp. 942 282 KLASSE 21a⁴ GRUPPE 29so

P6p.2iVIIIa J21 α*

Dr. phil. Fritz Lüdi, Zürich (Schweiz)

ist als Erfinder genannt worden

»Patelhold« Patentverwertungs- & Elektro-Holding ArG.,

Glarus (Schweiz)

Verstärkungseinrichtung für Mikrowellen

Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 12. Januar 1952 an Patentanmeldung bekanntgemacht am 20. Oktober 1955

Patenterteilung bekanntgemacht am 5. April 195& Die Priorität der Anmeldung in der Schweiz vom 16. Februar 1951 ist in Anspruch genommen

Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung zur Verstärkung von elektrischen Schwingungen des Mikrowellengebietes, worunter hier das Gebiet der kürzeren Dezimeterwellen und der Zentimeterwellen verstanden sei.

An derartigen Einrichtungen sind bisher die sogenannte Wandlerwellenröhre und der nach dem Klystronprinzip arbeitende Verstärker bekanntgeworden. In einer Einrichtung der erstgenannten Art laufen eine elektromagnetische Welle und ein to Elektronenstrahl in gegenseitiger Wechselwirkung einer Verzögerungsleitung entlang. Es ist auch bekannt, durch Verwendung eines Magnetfeldes in einer sonst ähnlichen Einrichtung die Elektronen auf zykloidenförmige Bahnen zu zwingen, welche zwischen der Verzögerungsleitung und einer par-

allel dazu angeordneten Leitelektrode verlaufen. Die Einrichtung kann dabei linear oder angenähert kreisförmig ausgebildet sein. Die Verzögerungsleitung ist entweder als nicht resonanzfähige S Leitung ausgebildet, oder sie besteht aus einer größeren Anzahl von auf dieselbe Frequenz abgestimmten, eng miteinander gekoppelten Resonatoren. Auch diese Anordnung weist, wenigstens in der Umgebung der Eigenfrequenz der Resonatoren, den Charakter einer Verzögerungsleitung auf. Beim Wandlerwellenverstärker tritt eine unerwünschte Energiereflexion auf, wenn die Anpassung des Verbrauchers an den Ausgangswiderstand des Verstärkers nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erreicht ist. Man hat daher die Verzögerungsleitung auch in mehrere Teile aufgetrennt, deren jeder mit einem Abschluß widerstand belastet ist. Wenn es so auch gelingt, eine Rückkopplung vom Verstärkerausgang über die Verzögerungsleitung zu unterbinden, so bedingen doch die Belastungswiderstände einen unerwünschten Leistungsverlust. In der nach dem Klystronprinzip arbeitenden Verstärkungseinrichtung wird durch das Elektrodenpaar eines Reso- «5 nators von der unter der Bezeichnung »Rumbatron« bekannten Art, dem die zu verstärkende Schwingung zugeführt wird, ein Elektronenstrahl in seiner Geschwindigkeit moduliert. In einem gewissen Abstand hinter dem Resonator tritt dann eine mehr oder weniger ausgeprägte Elektronenpaketierung auf. An dieser Stelle ist das Elektrodenpaar eines zweiten Resonators gleicher oder ähnlicher Art angebracht. Die Paketierung kann verbessert werden, wenn zwischen die beiden Resonatoren noch weitere Resonatoren gleicher oder ähnlicher Art eingefügt werden, welche, vom Elektronenstrahl angeregt, frei schwingen, und deren Eigenfrequenz gewissen Bedingungen genügt.

Die Erfindung bezweckt, eine weitere Verbesserung der Paketierung und eine Beseitigung der Schwingneigung bei Verstärkungseinrichtungen für Mikrowellen zu erreichen, ohne daß ein Leistungsverlust in Belastungswiderständen in Kauf genommen werden muß. Diese Verstärkungseinrichtung beruht auf der Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Mehrzahl von Resonatoren, deren jeder mehrere Elektrodenpaare aufweist. Diese Elektrodenpaare sind über den Resonator miteinander gekoppelt, so daß, wie es weiter unten noch deutlich auseinandergesetzt ist, jeder Resonator im Sinne einer Rückkopplung mehrfach auf den Elektronenstrahl einwirkt. Als besonders geeignet erscheint die aus der schweizerischen Patentschrift 252 630 bekannte Resonatorform, deren dem Elektronenstrahl zugewandte Seite durch einen in Richtung des Strahles zickzackförmig verlaufenden Schlitz in zwei Teile geteilt ist, wenn sie nicht kreisförmig, sondern mit begrenzter Länge wenigstens angenähert linear ausgebildet wird.

Die erfindungsgemäße Verstärkungseinrichtung für Mikrowellen ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonator aus einem nahezu völlig geschlossenen metallenen Kasten besteht, dessen dem Elektronenstrahl zugewandte Seite durch einen im Mittel in Richtung ,des Strahles sich erstreckenden, zickzackförmig verlaufenden Schlitz in zwei Teile getrennt ist, daß die Resonatoren gegenseitig entkoppelt hintereinander längs einer bandförmigen Leitelektrode angeordnet sind, wobei der Elektronenstrahl zwischen der Leitelektrode und den Resonatoren verläuft, und daß der Entladungsraum von einem senkrecht zur mittleren Fortbewegungsrichtung des Elektronenstrahls stehenden Magnetfeld durchsetzt wird.

Die Erfindung ist nun an Hand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen Resonator in perspektivischer Ansicht. A ist die der Leitelektrode zugewandte Seite, welche durch den Schlitz B in zwei Reihen von Elektroden C₁ und C₂ geteilt ist. Der Resonator besteht aus nichtmagnetischem Metall.

Die Fig. 2 zeigt einen Resonator im Längsschnitt. Die Pfeile H geben die Richtung des magnetischen Wechselfeldes an. Die unterhalb des Resonators gezeichnete Kurve zeigt die Größe der zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren C₁, C₂ liegenden hochfrequenten Wechselspannung U in Abhängigkeit von der Lage der Elektroden im Resonator. Es geht daraus hervor, daß die nahe den Resonatorenden liegenden Elektroden nur kleine Wechselspannung aufweisen; die maximale Spannung herrscht an den nahe der Mitte des Resonators befindlichen Elektroden. Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Verstärkungseinrichtung, Das Gefäß D enthält im Vakuum drei Resonatoren R₁, R₂ und R₃, welche, voneinander durch kleine Zwischenräume F₁ und F₂ getrennt, an einer Metallsdiiene G aus nichtmagnetischem Material befestigt sind. Gegenüber den geschlitzten Seiten der Resonatoren mit den Elektrodenreihen C₁ bzw. C₂ ist die Leitelektrode L angeordnet, welche bandförmige Gestalt besitzt. Nahe ihrem einen Ende liegt die Kathode K.- M ist die Auffangelektrode. Durch einen nicht gezeichneten, außerhalb des Gefäßes D liegenden Magneten wird zwischen den Resonatoren und der Leitelektrode ein magnetisches Feld in der Richtung der Pfeile N erzeugt. Die Resonatoren R₁ und R₃ enthalten Mittel zur Einkopplung bzw. Auskopplung der elektrischen Schwingungen über die Leitungen P₁ bzw. P₂. Die Kopplungsmittel sind, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, als Schleifen ausgebildet, welche von dem hochfrequenten Magnetfeld im Resonator durchsetzt werden.

Es sei nun die Wirkungsweise einer gemäß der Erfindung gebauten Verstärkungseinrichtung beschrieben.

Infolge des Magnetfeldes N sowie der gegenüber der Kathode positiven Potentiale der Auffangelektrode M und der Resonatoren R bewegen sich die von der Kathode ausgehenden Elektronen auf zykloidenförmigen Bahnen zwischen der Leitelektrode und den geschlitzten Seiten der Reso-

natoren nach der Auffangelektrode hin. Für jeden durch den Elektronenstrahl gelegten Querschnitt ist der durchfließende Elektronenstrom zunächst zeitlich konstant. Wird nun aber der erste Resonator R₁ durch eine über die Kopplungsmittel zugeführte Schwingung erregt, so wirken seine Elektroden paketierend auf den an ihnen vorbeilaufenden Elektronenstrahl ein; die Elektronen verlassen den Bereich des ersten Resonators in ίο Paketen, die mit der Frequenz der zu verstärkenden Schwingung aufeinanderfolgen. Diese Paketierung ist sehr ausgeprägt, da der Strahl, besonders in der Nähe des Resonatorendes, durch Influenz die von der zugeführten Schwingung bewirkte Erregung des Resonators verstärkt. Da der Resonator mehrfach, d. h. über alle seine miteinander gekoppelten Elektroden, mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt, ist die durch einen einzelnen Resonator erzielbare Paketierung und damit die Schwingungsverstärkung viel wirkungsvoller als beispielsweise bei dem obenerwähnten, nach dem Klystronprinzip arbeitenden Verstärker, dessen Resonatoren, welche zur Erzielung der Elektronenpaketierung durch verhältnismäßig große Zwischenräume voneinander getrennt sind, nur je einmal auf den Elektronenstrahl einwirken. Der vorliegende Verstärker unterscheidet sich also von bekannten Verstärkern mit Resonatoren durch den in jedem Resonator auftretenden und ausgenutzten Rückkopplungseffekt. Würde die Länge des Resonators und damit die Zahl seiner Elektroden über ein gewisses Maß hinaus vergrößert, so würde er zufolge der vergrößerten Rückkopplung ins Schwingen geraten.

Die Elektronenpakete, welche den Bereich des ersten Resonators verlassen, erregen den folgenden Resonator, und die Paketierung wird nun durch die Wechselwirkung zwischen diesem Resonator und dem Elektronenstrahl weiter verbessert. Bei jedem Durchlauf des Elektronenstrahls durch den Bereich eines Resonators wird die im Strahle enthaltene Schwingungsenergie um einen gewissen Faktor vergrößert, und im Bereiche des letzten Resonators gibt er diese über das Kopplungsmittel ⁴S an den Verbraucher ab.

Ein besonderer Vorteil eines derartigen Verstärkers liegt darin, daß eine Rückkopplung zwischen dem letzten Resonator und dem ersten Resonator der Reihe nicht auftritt. Eine Rückkopplung zwischen Ausgang und Eingang macht sich, wie schon ausgeführt, unter gewissen Umständen bei der obenerwähnten Wanderwellenröhre störend bemerkbar. Beim erfindungsgemäßen Verstärker können auch bedeutende Fehlanpassungen keine Unstabilität bewirken. Er ist also insbesondere zur Verstärkung frequenzmodulierter Schwingungen geeignet, wo die Aufrechterhaltung der Anpassung über den bestrichenen Frequenzbereich nicht leicht ist. Arbeitet der Verstärker auf eine Antenne, so wird seine Stabilität nicht dadurch beeinträchtigt, daß sich Rauhreff oder Eis auf der Antenne ansetzt und deren elektrische Eigenschaften verändert.

Gegenüber dem beschriebenen Ausführungsbeispiel lassen sich im Rahmen des Erfindungs- gedankens gewisse Abänderungen treffen.

Es ist beispielsweise möglich, gemäß Fig. 5 die Resonatorenreihe und die Leitelektrode nicht gestreckt, sondern kreisförmig gebogen anzuordnen, wenn dies aus herstellungstechnischen Gründen vorteilhaft erscheint.

Als Leitelektrode kann an Stelle eines bandförmigen Metallstückes mit Vorteil eine flache Drahtwicklung treten, wie sie die Fig. 6 zeigt. Dadurch wird die Impedanz für hochfrequente Schwingungen in ihrer Längsrichtung vergrößert und die Kopplung zwischen den Resonatoren noch vermindert.

Längs der Leitelektrode können mehrere Kathoden verteilt sein, damit der Mittelwert des Strahlstromes entsprechend der Zunahme der im Strahl enthaltenen Schwingungsenergie gegen das Ende der Leitelektrode hin vergrößert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Verstärker nennenswerte Leistung abgeben soll.

Jeder Resonator kann durch zwei Teil-Resonatoren ersetzt werden, welche in der Reihe unmittelbar" hintereinanderliegen, auf etwas voneinander verschiedene Frequenzen abgestimmt und miteinander elektrisch oder magnetisch gekoppelt sind. Dadurch läßt sich der vom Verstärker übertragene Frequenzbereich vergrößern.

Schließlich können die Leitungen für die Zuleitung der Schwingungen an den ersten Resonator und für die Abnahme der verstärkten Schwingungen aus dem letzten Resonator direkt mit zwei Elektroden eines Resonators verbunden sein (Fig. 7), anstatt, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Koppelschleife zu bilden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Verstärkung von Schwingungen des Mikrowellengebietes mittels Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Mehrzahl von Resonatoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonator aus einem

^r nahezu geschlossenen metallenen Kasten besteht, dessen dem Elektronenstrahl zugewandte Seite durch einen im Mittel in Richtung des Strahles sich erstreckenden, zickzackförmig verlaufenden Schlitz in zwei Teile getrennt ist, daß die Resonatoren gegenseitig entkoppelt hintereinander längs einer bandförmigen Leitelektrode angeordnet sind, wobei der Elektronenstrahl zwischen der Leitelektrode und den Resonatoren verläuft und daß der Entladungsraum von einem senkrecht zur mittleren Fortbewegungsrichtung des Elektronenstrahles stehenden Magnetfeld durchsetzt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelektrode und damit die Reihe der Resonatoren mindestens annähernd gerade ist.

3· Einrichtung nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelektrode und damit die Reihe der Resonatoren mindestens annähernd kreisförmig gekrümmt ist, wobei die Krümmungsachsen der Leitelektrode und der geschlitzten Seiten der Resonatoren mindestens annähernd zusammenfallen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelektrode aus einer flachen Drahtwicklung besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß längs der Leitelektrode mehrere Kathoden angeordnet sind.

Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 537 824, 2 511 407; britische Patentschriften Nr. 581335, 611 732; schweizerische Patentschriften Nr. 252630, 667.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen