DE954076C - Wanderfeldroehre, bei der zur Wellenuebertragung ein Rechteck-Hohleiter verwendet wird - Google Patents
Wanderfeldroehre, bei der zur Wellenuebertragung ein Rechteck-Hohleiter verwendet wirdInfo
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Description
AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1956
W 12595VIIIa/21 a*
ist als Erfinder genannt worden
Die Erfindung bezieht sich auf Mikrowellenübertragungs-Einrichtungen,
insbesondere auf sogenannte Wanderfeldröhren.
Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, den Aufbau eines wellenleitenden Kreises zu vereinfachen,
der zur Verstärkung oder Erzeugung von elektromagnetischen Schwingungen mit Millimeterwellenlängen
geeignet ist.
Eine andere Aufgabe besteht darin, eine Breitbandverstärkung bei Wanderfeldröhren ohne Einbuße an
Verstärkung zu erreichen und eine einfache Herstellung des Wellenleiters zu erreichen.
Mikrowellenübertragungs-Einrichtungen des sogenannten Wanderfeldröhrentyps, die einen Energieübergang
von einem Elektronenstrahl auf eine sich entlang des Kreises fortpflanzende elektromagnetische
Welle bewirken, bieten besondere Vorteile, die man bei anderen verstärkenden Einrichtungen nicht findet,
nämlich eine brauchbare Verstärkung in einem sehr breiten Frequenzband. Da diese Bandbreite, in
Prozent der Betriebsfrequenz ausgedrückt, verhältnismäßig konstant ist, ist es wünschenswert, die Betriebsfrequenz
so weit wie möglich zu erhöhen, und zwar auf einen Wert, bei dem z. B. eine Bandbreite
von io°/0 mehrere tausend Megahertz umfaßt.
Leider treten aber verschiedene Schwierigkeiten auf, wenn die Betriebsfrequenz erhöht wird. Zum Beispiel
wurde eine Wendel, wie sie gewöhnlich in Wanderfeld-
röhren zur Fortpflanzung einer »schnellen« elektromagnetischen
Welle benutzt wird, bei einer Röhre verwendet, die bei etwa 50 000 MHz arbeitete, doch
ist die Verstärkung der Röhre so begrenzt und die Wendel wegen ihrer mikroskopisch kleinen Größe so
schwierig herzustellen, daß eine solche Anordnung wenig befriedigt. Eine andersartige Lösung dieser
Probleme wurde von S. Millman in einem Aufsatz »A Spatial Harmonie Traveling Wave Amplifier for
Six Millimeters Wavelength«, der in den »Proceedings of the Institute of Radio Engineers«, Bd. 39, S. 1040,
September 1951 erschienen ist, vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von dem Arbeitsprinzip mit räumlichen Harmonischen. Eine
umfassende Darstellung dieses Prinzips findet der Leser im obenerwähnten Aufsatz. Kurz zusammengefaßt
kann gesagt werden, daß dieses Prinzip im wesentlichen darin besteht, daß man einen Elektronenstrahl
nur in gegebenen Zwischenräumen mit einer elektromagnetischen Welle in Wechselwirkung treten
läßt. Dies geschieht, indem man den Elektronenstrahl in die elektrische Nähe einer Reihe von Unstetigkeiten
mit regelmäßigen Abständen bringt, an denen entlang sich eine Welle fortpflanzt. Diese Un-Stetigkeiten
werden so gewählt, daß sich zwischen ihnen eine elektrische Feldkomponente parallel zur
Richtung des Elektronenstrahls befindet und daß keine derartige Komponente in ihrem Bereich vorhanden
ist. Durch Einstellung der Elektrorienstrahlgeschwindigkeit kann bewirkt werden, daß ein gegebenes
Elektron jeden Zwischenraum zwischen den Unstetigkeiten zu einer Zeit erreicht, wenn die Stärke
des elektrischen Feldes die gleiche ist wie im vorherigen Zwischenraum, als dieses Elektron dort eintraf.
Die Elektronen können auf diese Weise in der Phase mit einer Welle synchronisiert werden, die sich
entlang diesen Unstetigkeiten fortpflanzt, wobei eine Komponente der Phasengeschwindigkeit parallel zum
Elektronenstrahl gleich der Geschwindigkeit der Elektronen, vermehrt um eine so große Geschwindigkeit
ist, daß das elektrische Feld sich um ein Vielfaches von 360° zwischen aufeinanderfolgenden Wechselwirkungszwischenräumen
dreht.
Gemäß der Erfindung wird ein Elektronenstrahl unter Kopplung mit einem elektrischen Feld ausgesandt,
das in der Nähe einer Reihe von Unstetigkeiten mit regelmäßigen Abständen und grundsätzlich
einfachem Aufbau vorhanden ist, wobei die Unstetigkeiten sich innerhalb einer wellenleitenden
Bahn mit leitender Begrenzung befinden.
Diese Unstetigkeiten, die gleichmäßiger und viel leichter herzustellen sind als die für den gleichen
Zweck bisher verwendeten Anordnungen, werden bei einer" speziellen Ausführung durch eine Vielzahl von
schlitzartigen Öffnungen in einem dünnen Blech gebildet, während sie bei einer zweiten Ausführung durch
parallele, in einem Abstand befindliche Drahtwindungen gebildet werden, zwischen denen sich schlitzartige
Öffnungen befinden.
Die Erfindung betrifft demgemäß eine Wanderfeldröhre,
bei der zur Wellenübertragung ein Rechteckhohlleiter verwendet wird, in dessen Innern parallel
zur Hohlleiterachse eine Verzögerungsleitung für räumlich
harmonische Betriebsweise asymmetrisch angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Besonderheit
einer solchen Wanderfeldröhre besteht darin, daß die Verzögerungsleitung aus einem rohrförmigen Wellenleiter
von rechteckigem Querschnitt besteht, dessen eine Breitseite in Richtung der längs des Wellenleiters
sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle eine Vielzahl von periodisch aufeinanderfolgenden und im
wesentlichen quer zur Wellenfortpflanzungsrichtung angeordneten Durchbrechungen aufweist, und daß
Mittel vorgesehen sind, einen Elektronenstrahl entlang der mit Durchbrechungen versehenen Breitseite
zu führen.
Ein besseres Verständnis der Art und der Aufgaben der Erfindung läßt sich durch die nachfolgende Erläuterung
erbringen, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele
gegeben wird.
Erklärung der Zeichnungen:
Fig. ι zeigt die perspektivische Ansicht einer Ausführung
eines erfindungsgemäßen Kreises zur Führung einer räumlichen harmonischen Welle, der aus einem
rechteckigen Wellenleiter besteht, welcher eine aufrechte hohle rechteckige Schiene umgibt, in deren
Oberfläche sich eine Vielzahl von schlitzartigen Öffnungen in regelmäßigen Abständen befindet;
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Teil einer zweiten Ausführung eines Kreises zur Führung
von räumlichen harmonischen Wellen, der ähnlich wie der Kreis der Fig. 1 aufgebaut ist, bei dem jedoch die
Unstetigkeiten durch parallele Windungen eines Drahtes gebildet werden, der um einen U-förmigen
Kanal gewickelt ist;
Fig. 3 zeigt einen Seitenschnitt eines Oszillators mit rückwärts wandernder Welle, der als Bestandteil einen
Kreis ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten aufweist.
Es soll nun näher auf die Zeichnungen eingegangen werden. In Fig. 1 ist als Beispiel für die Darstellung
ein Übertragungskreis 10 gezeigt, der zur Fortpflanzung einer-elektromagnetischen Welle durch eine
Reihe von Resonatoren eingerichtet ist, die durch schlitzartige Öffnungen in einer leitenden Oberfläche
gebildet werden, so daß die Welle mit einem Elektronenstrahl unter Kopplung mit diesen Resonatoren
in Wechselwirkung treten kann. Wellenenergie, die eine Phasengeschwindigkeit entlang des Kreises größer
als die Lichtgeschwindigkeit haben kann, kann dann aus dem Elektronenstrahl, der sich in derselben Richtung
wie die Welle mit einer Geschwindigkeit von z-B. ein Zwanzigstel der Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt,
Energie herausziehen.
Der Übertragungskreis 10 besteht aus einem rechteckigen
Wellenleiter 11, der eine hohle, rechteckige
Schiene 12 umgibt, die sich in der Mitte der Bodenwand des Leiters befindet und an sie angelötet oder
geschweißt ist. In der oberen Oberfläche 13 dieser Schiene, die parallel zur unteren und oberen Ober- iao
fläche des sie umgebenden Wellenleiters liegt, befindet sich eine Vielzahl von schlitzartigen öffnungen
14, die regelmäßige Abstände d in Richtung der
Wellenfortpflanzung aufweisen. Diese Öffnungen bilden zusammen mit dem dazwischenliegenden Metall
Schlitzresonatoren, die quer zur Richtung der Wellen-
fortpflanzung liegen. Sie haben eine Breite w und eine
Länge/, die sie bei der oberen Grenzfrequenz des Kreises mit einer Viertelwellenlänge in Resonanz
kommen läßt. Die untere Grenzfrequenz des Wellenleiters Ii wird durch die Schiene 12 entlang seines
mittleren Stückes etwas erniedrigt, wodurch eine Erhöhung der Betriebsbandbreite erreicht wird. Das
Maß, um das diese niedrigere Grenzfrequenz verändert wird, hängt von den relativen Abmessungen der
Schiene und des umgebenden Wellenleiters ab, jedoch genügt eine Schiene mit Außenabmessungen von etwa
fünf Achtel der Innenabmessungen des zugehörigen Wellenleiters. Die Wandstärke der Schiene 12 ist
nicht kritisch, doch sollte sie klein im Vergleich zur Betriebswellenlänge im freien Raum sein. Der Längsspalt
15, der senkrecht zu den Öffnungen 14 in die Wand 13 eingeschnitten ist, ergibt einen bequemen
Durchlaß für den Elektronenstrahl 16 durch die Reihe der Schlitzresonatoren. Dieser Spalt hat eine vernachlässigbare
Wirkung auf die Schlitzresonatoren.
Wenn er nicht erwünscht ist, kann er beseitigt werden, indem die beiden Teile der Wand 13 zusammengebracht
werden. Seine Verwendung ist jedoch wünschenswert, da er zusätzlich dazu dient, zu
verhindern, daß sich Metall zwischen den Öffnungen aus der Ebene der .Wand 13 herausbiegt, wenn diese
Wand ungleichmäßig erhitzt wird.
Das Elektronenstrahlsystem 17 und die Sammelelektrode
18 sind in. bezug auf den Kreis 10 so ausgerichtet, daß der Elektronenstrahl entlang der Achse
des Spaltes 15 durch die Öffnungen in der unteren Wand des Wellenleiters 11 fliegt, die für diesen Zweck
vorgesehen sind. Die nichtmagnetischen Umhüllungen 19, die diese Elektroden umgeben, bilden zusammen
mit (nicht gezeichneten) Fenstern in den Enden 20 und 21 des Wellenleiters 11 und dessen
Metallwänden ein luftdichtes Gehäuse.
Die gekrümmten Enden des Übertragungskreises Ii bilden ein einfaches und wirkungsvolles Mittel zur
Impedanzanpassung zwischen dem gestreckten Teil des Kreises 10, der die Schiene 12 enthält, und den
Eingangs- und Ausgangsleitern, die an den Enden 20 und 21 befestigt sein können. Die Schiene 12 kann
durch Öffnungen in der unteren Wand des Wellenleiters eingeschoben und so an Ort und Stelle angelötet oder
angeschweißt werden, daß die Krümmung dieser Wand eine wirksame Abschrägung-der Schienenhöhe ergibt.
Die inneren Abmessungen des Wellenleiters 11 werden vorzugsweise so gewählt, daß sich eine transversale
elektrische Welle in der Grundform mit senkrechtem elektrischem Feld zur oberen und unteren Wand des
. w
Wellenleiters fortpflanzt. Die leitenden Teile des Kreises io werden vorzugsweise aus dem gleichen
Metall hergestellt, z. B. aus Kupfer oder aus versilbertem Molybdän.
In Fig. ι ist parallel zum Elektronenstrahl 16 eine
einzelne Kraftlinie des magnetischen Flusses Φ gezeichnet, um die Richtung dieses Feldes relativ zum
Kreis io anzudeuten. Die Elemente zum Erzeugen dieses Feldes sind nicht gezeichnet, um die Zeichnung
zu vereinfachen, es kann jedoch jedes geeignete Mittel
benutzt werden, z. B. die in Fig. 3 dargestellten Magnetpole 50 und 51.
Beim Betrieb wird vorzugsweise eine transversale elektrische Welle durch ein geeignetes Mittel an den
Kreis 10 angelegt, z. B. durch einen Wellenleiter mit den gleichen Abmessungen wie der Leiter 11. Wenn
diese Welle sich von der Zuleitung 20 auf der Seite des Strahlsystems 17 des Kreises zur Sammelelektrode 18
fortpflanzt, wird sie durch räumlich harmonische Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl verstärkt.
Dieser räumliche harmonische Vorgang kann am besten durch Betrachtung der nachfolgenden kurzen
mathematischen Untersuchung verstanden werden, die speziell auf die in Fig. 1 dargestellte Anordnung
zugeschnitten ist, jedoch auf die räumliche harmonische Wirkung im allgemeinen angewendet werden
kann.
Wenn ζ die Richtung der Wellengeschwindigkeit im Wellenleiter ist, so kann in der Nähe der wiederkehrenden
Unstetigkeiten im Leiter die z-Komponente einer fortschreitenden Welle geschrieben werden:
wobei ω die Kreisfrequenz und
F (z) = 2 -^m exP —'/ (2 πη + ®) -j-
(2)
ist. Hierbei ist d der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Unstetigkeiten, die hier die Schütze 14
sind, η ist eine ganze Zahl und<9 der Phasenverzug im
Winkelmaß von einer Unstetigkeit zur nächsten. Θ ist gegeben durch
Θ =
2 πα.
(3)
wobei λ g die Leiterwellenlänge der Grundwelle entsprechend
η = O in Gleichung (2) ist. Mit der Annahme,
daß die Amplitude Ez an den Kanten der Unstetigkeiten
oder Schlitze konstant ist und mit E0 bezeichnet
wird, kann An geschrieben werden:
E0 C [·, , ™* Ί j 2Eo ■ Γ/ ■ ™ * 1
An = —^- ι exp j (2 πη + &)-τ- dz =
sin (2 πη + Θ) —r-
d J |/v d \ 2πη+Θ [ ' 2d \
w_
wobei to die Breite eines Schützes 14 ist. Durch Einsetzen in Gleichung (1) ergibt sich:
(4)
= E0
sin I
2 sin \(z π η +
2πη + Θ exp
Ij \cot— {2πη + Θ) -j j - (5) «5
Aus der letzten Gleichung ist ersichtlich, <iaß iiahe
bei den Schlitzunstetigkeiten im Wellenleiter eine unendliche Anzahl von räumlichen harmonischen Komponenten
der Grundwelle vorhanden zu sein scheint, wobei jede mit einer anderen Phasengeschwindigkeit
fortschreitet, die gegeben ist durch -. JT&\ ·
Hierbei ist η eine ganze Zahl zwischen—oo und + oo.
Wenn man η — ο setzt, sieht man, daß die Grundwelle
in der positiven ^-Richtung mit einer Phasengeschwindigkeit von —g- fortschreitet. Für η = ι
scheint eine Welle in positiver ^-Richtung mit einer Geschwindigkeit von —— fortzuschreiten, die
geringer als die Geschwindigkeit der Grundwelle ist. Das gleiche gilt für andere positive Werte von n.
Für n = — ι scheint eine Welle vorhanden zu sein,
die in der positiven ^-Richtung mit einer Phasengeschwindigkeit - —~- fortschreitet, die negativ
ist, da die Grundphasenverschiebung Θ zwischen aufeinanderfolgenden
Schlitzen geringer als 2 π ist. Somit entspricht jeder negativen ganzen Zahl η eine
as Welle mit negativer Phasengeschwindigkeit oder mit
anderen Worten eine rückwärts laufende· Welle. Die ■ Gruppengeschwindigkeit aller räumlichen harmonischen
Wellen liegt bekanntlich stets in Richtung der Leistungsfortpflanzung und ist für alle Wellen die
gleiche einschließlich der Wellen mit negativer Phasengeschwindigkeit.
In der Nähe der Leiterwände zwischen den Schlitzen, d. h. im Metallgebiet zwischen den Schlitzen 14,
finden die Elektronen keine ^-Komponente des elekirischen
Feldes vor, während sie beim Vorbeigehen an einer Schlitzöffnung ein starkes elektrisches Feld in
z-Richtung vorfinden. Dieser abwechselnde Übergang vom Strömungsraum zum Wechselwirkungsraum ist
analog dem stroboskopischen Lichtaufleuchten von einem unterbrochenen Rad, wobei die Dauer eines
jeden Aufleuchtens der Zeit entspricht, während der die
Elektronen im Wechselwirkungsraum über den Schlitzöffnungen sind, wobei ferner der Zeitraum zwischen
dem Aufleuchten der Zeit entspricht, die die Elektronen brauchen, um von einer Schlitzmitte zur
nächsten zu fliegen, und wobei schließlich die Winkelgeschwindigkeit des Rades der Phasengeschwindigkeit
der räumlichen Grundharmonischen der fortschreitenden Welle entspricht. Für eine gegebene Radgeschwindigkeit
gibt es eine stroboskopische Frequenz, bei der das Rad stillzustehen scheint; dieses scheinbare
Nichtdrehen des Rades entspricht dem Synchronismus zwischen einer räumlichen Harmonischen
der Welle und den Elektronen. In diesem synchronen Zustand »sieht« ein einzelnes Elektron jeweils den
gleichen Feldvektor, wenn es an einer Schlitzöffnung vorbeigeht, daher wird die Forderung für die Wechselwirkung
zwischen elektromagnetischer Welle und Elektronenstrahl in der Tat durch »Täuschen« der
Elektronen erfüllt.
Mit der Annahme, daß die Gruppengeschwindigkeit der im Wellenleiter fortschreitenden Welle der Geschwindigkeit
des Elektronenstrahls entgegengesetzt ist, kann man der obigen Analogie folgend sehen, daß
die Elektronen mit einer räumlich Harmonischen der Welle mit einer gegenüber der Gruppengeschwindigkeit
negativen Phasengeschwindigkeit synchronisiert werden können. Wenn solche Bedingungen tatsächlich
in einer Röhre für räumlich harmonische Betriebsweise herrschen, fließt elektromagnetische Energie vom
Sammelelektrodenende der Röhre .zum Elektronenstrahlsystemende. Die Betriebsart, die bis zu einem
kritischen Wert des Strahlstromes zur Verstärkung brauchbar ist, ist in gleicher Weise zur Schwingungserzeugung
jenseits dieses. kritischen Wertes zu verwenden, da der zur» Aufrechterhaltung der Schwingungen
notwendige Rückkopplungsweg automatisch durch den Elektronenstrahl gewährleistet ist.
Durch Betrachtung der Fig. 1 wird offensichtlich, daß irgendwo zwischen dem Zustand, bei dem der
Schlitzabstand d gleich der Schlitzbreite w ist, in
welchem Falle im wesentlichen keine Wechselwirkung zwischen der elektromagnetischen Welle und dem
Elektronenstrahl auftritt, und dem Zustand, bei dem die Breite w der Schlitzöffnung gleich Null ist, in
welchem Falle die Wechselwirkung gleichfalls Null ist, ein Verhältnis der Schlitzbreite zum Schlitzabstand
vorhanden sein muß, das eine optimale Wechselwirkung ergibt, wenn eine reine Verstärkung vorhanden
sein soll. Nun kann gezeigt werden, daß die für den Synchronismus erforderliche Elektronengeschwindigkeit
Ve gegeben ist durch
V =
(6)
wobei ω die Kreisfrequenz, d der Abstand von Schlitzmitte
zu Schlitzmitte und Θ die Grundphasenverschiebung zwischen den Schlitzen ist, gewöhnlich —
bis —. Es kann ferner gezeigt werden, daß die Verstärkung der mit den Elektronen in Wechselwirkung
tretenden elektromagnetischen Welle proportional
2 [(2 π η + Θ) w]
SUl2
Verst. =
(2 π η -f-
(7)
■zd
ist, wobei K eine Proportionalitätskonstante und w die
Breite einer Schlitzöffnung ist. Durch Differenzieren
der letzten Gleichung nach -j- und durch Gleichsetzen
Cb
des Resultats mit Null sieht man, daß die Verstärkung ein Maximum ist, wenn
2,33
{2πη ■
(8)
Wie oben erwähnt, können praktische Werte von Θ mo
etwa zwischen — < Θ < —liegen. Somit kann w leicht
aus den Gleichungen (6) und (8) für eine gegebene Elektronengeschwindigkeit Ve, einen gegebenen Wert
von η und eine gegebene Betriebsfrequenz bestimmt werden.
Der Schlitzabstand und die Abmessungen in dem in Fig. ι dargestellten Kreis können gemäß den
Gleichungen (6) und (8) zur Synchronisierung des Elektronenstrahls entweder mit vorwärts oder mit
rückwärts wandernden räumlichen harmonischen Wellen gewählt werden. Die Zahl der verwendeten
Schlitze hängt von der gewünschten Verstärkung ab, doch reichen etwa ioo für die üblichen Verstärkungsforderungen aus. Selbstverständlich kann eine An-
Ordnung, die für eine besondere Form des räumlichen harmonischen Betriebs bei einer gegebenen Frequenz
und bei einem Elektronenstrahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit bemessen ist, außerdem verwendet
werden, um eine Wechselwirkung zwischen Wellen mit den gleichen oder etwas anderen Frequenzen und
Elektronenstrahlen mit sehr verschiedenen Geschwindigkeiten zu erhalten. Die nachfolgenden Abmessungen,
die lediglich zur Erläuterung gegeben werden, haben sich als befriedigend für einen Kreis ergeben,
der entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Form gebaut wurde, um Synchronismus zwischen der ersten
räumlichen harmonischen Vorwärtswelle und einem Elektronenstrahl mit einer ungefähr 1300 Volt entsprechenden
Geschwindigkeit zu erhalten: Länge I = 0,220 /I0, Abstand d = 0,086 /I0, Breite w =
0,025/I0 und Breite des Spalts 15 = 0,065/I0, wobei
A0 die Wellenlänge im freien Raum bei der mittleren
Betriebsfrequenz ist.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Teil des Mittelstückes eines Kreises 30 ähnlich dem in Fig.i
gezeichneten, der für räumlich harmonische Betriebsweise geeignet ist. Hier werden· die Schlitzresonatoren
durch parallele Windungen des Drahts 31 gebildet, die im wesentlichen quer zum Oberteil des
tragenden jj-förmigen Kanals 32 liegen. Die Steigung, -mit der der Draht um den Kanal gewickelt ist, bestimmt den Schlitzabstand d, während diese Steigung
zusammen mit dem Drahtdurchmesser die Breite der Öffnungen zwischen den Windungen bestimmt. Die
Länge der Windungen des Drahts 31 auf dem Oberteil des Kanals ist bei Nichtvorhandensein eines Längsspalts
entsprechend dem Spalt 15 in Fig. 1 so gewählt, daß diese Windungen zusammen mit den zwischen
ihnen liegenden Öffnungen eine Resonanz mit halber Wellenlänge bei der oberen Grenzfrequenz des Kreises
bilden. Der Wellenleiter 33, der den um den Kanal oder die Schiene gewickelten Draht umgibt, kann
ebenso beschaffen sein wie der Leiter 11 in Fig. 1, doch braucht er nicht notwendigerweise so aufgebaut
zu sein. Wie in Fig. 1 ist diese Schiene an der Bodenwand des Leiters befestigt und befindet sich in der
Mitte zwischen dessen-Seitenweiten. .Ein (nicht gezeichnetes)
Elektronenstrahlsystem und eine Sammelelektrode ähnlich denen in Fig. 1 können benutzt
werden, um einen Elektronenstrahl eben oberhalb und unterhalb der Windungen des Drahtes 31 zu leiten.
(Nicht gezeichnete) Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das mit der Achse des Elektronenstrahls
in einer Linie liegt, können ebenso aufgebaut sein wie die in Fig. 3 dargestellten.
Es ist nicht notwendig, daß der-Draht 31 einen besonderen
Querschnitt hat, doch ist er vorzugsweise rund, wie gezeichnet, oder bandförmig mit einer Dicke, die
geringer ist als seine Breite. Die Dicke des Drahtes ist nicht kritisch, jedoch soll sie wie die Dicke der
Schienenwände des Kreises 10 geringer sein als die Wellenlänge im freien Raum bei der Betriebsfrequenz.
Aus Gründen der mechanischen. Stabilität soll der Draht vorzugsweise dicht um den Kanal 32 herumgewickelt
sein, wenn auch andererseits Drahtstücke über die Kanalöffnung gelegt und durch einen Rahmen
oder durch andere geeignete Mittel in ihrer Lage befestigt sein können.
Jede dieser Drahtanordnungen ist insbesondere für den Betrieb mit räumlichen harmonischen Rückwärtswellen
geeignet, da das Verhältnis des Raumes w zwischen den Drähten zum Abstand d leicht so ausgeführt
werden kann, daß es den Gleichungen (6) und (8) für negative ganze Zahlen genügt. Ein Verhältnis
von ^-= — hat sich bei diesen Anordnungen als ge-
eignet erwiesen, um den Synchronismus des Elektronenstrahls mit der ersten Rückwärtswelle zu erhalten.
Ein kleineres Verhältnis in der Nähe von — soll für die „
- 3
erste Vorwärtswelle benutzt werden.
Die Arbeitsweise des Wellenleiterkreises 30 ist im wesentlichen die gleiche wie beim Kreis 10 in Fig. 1.
Es ist hier lediglich notwendig, zu erwähnen, daß zur Verstärkung mit räumlichen harmonischen Rückwärtswellen
die Wellenenergie am Sammelelektrodenende des Kreises 10 zugeführt und am Elektronenstrahlsystemende
abgenommen werden soll.
Selbstverständlich ist keine der oben beschriebenen Wellenleiterkreise auf die Verstärkung mit räumlichen
harmonischen Wellen beschränkt, da jede dieser Anordnungen zur Erzeugung von Wellenenergie entweder
in üblicher Weise oder durch Rückwärtswellenbetrieb benutzt werden kann, wenn sie die erforderlichen Abmessungen
aufweist. Die üblichen Schwingungen können bei jedem Verstärker einfach dadurch erhalten
werden, daß ein genügend großer Teil der Ausgangsenergie zum Eingang des Verstärkers zurückgeführt
wird. Die Arbeitsweise einer solchen Anordnung ist so bekannt, daß eine weitere Erläuterung überflüssig ist.
Die Erzeugung von Rückwärtswellenschwingungen ist andererseits eine neue Entwicklung in der Technik,
so daß in Anbetracht der Bedeutung der vorliegenden Erfindung in dieser Hinsicht eine kurze Beschreibung
eines Rückwärtswellen-Oszillators zweckmäßig ist.
Fig.. 3 zeigt die Seitenansicht eines Rückwärtswellen-Oszillators,
bei dem ein Kreis 40, im wesentlichen ebenso aufgebaut wie Kreis 30, das wellenfortpflanzende
Element bildet. Dieser Kreis ist in bezug auf das Elektronenstrahlsystem 41 und den Auffangehohlraum
42, welcher die Sammelelektrode darstellt, so ausgerichtet, daß der Elektronenstrahl eben oberhalb
und unterhalb der um den Kanal 45 gewickelten Drahtwindungen 44 fliegt. Am Sammelelektrodenende
des Kreises befindet sich innerhalb des Leiters 47 auf jeder Seite des Kanals 45 Widerstandsmaterial 46,
um die Reflexion von Wellenenergie an dieser Stelle auf ein Minimum zu bringen. Wellenenergie, die vom
Ausgangsanschluß am Elektronenstrahlsystemende durch Impedanzfehlanpassung zurückgeworfen werden
kann, wird hierdurch wesentlich vermindert, und
ihre unerwünschte Interferenz mit in entgegengesetzter Richtung fortschreitender Energie wird zum
größten Teil beseitigt. Am Strahlsystemende des Kreises wird dem Kreis Schwingungsenergie entnommen,
und zwar durch eine Fortsetzung des Leiters 47, die zur Impedanzanpassung nach unten
gekrümmt ist, wie oben erklärt wurde. Im gebogenen Teil der oberen Wand des Leiters ist eine geeignete
Öffnung zum Durchlaß des Elektronenstrahls 43 vor-
gesehen. Der Leiter 47 ist in den Kolben 48 eingeschmolzen. Dieser Kolben bildet zusammen mit dem
Fenster 49 im Leiter und den Magnetpolen 50 und 51 ein luftdichtes Gehäuse, das den Elektronenstrahl umgibt.
Der Auffangeraum 42 im Polschuh 51 ist etwa
so geformt, wie er gezeichnet ist, um die Sekundäremission von diesem Teil zu verringern, der als
Sammelelektrode dient. Alle Elemente im Gebiet zwischen den Polschuhen sollen unmagnetisch sein,
so daß das Magnetfeld den Elektronenstrahl entlang der Achse, mit der das Feld in einer Linie liegt, fokussieren
kann.
Wenn die Stromdichte des Elektronenstrahls bei der Anordnung in Fig. 3 einen gewissen kritischen
Wert übersteigt, können plötzlich bei einer Frequenz, die durch die Strahlgeschwindigkeit bestimmt ist,
Schwingungen einsetzen. Wellenenergie, die am Sammelelektrodenende des Kreises 40 entsteht, fließt
zum Ausgangsende des Kreises, wo sie durch das Fenster 49 einem geeigneten Ausgangsanschluß zu-
geführt wird. Wenn diese Energie entlang der mit Draht bewickelten Schiene innerhalb des Leiters 47
vorbeigeht, wird sie durch Wechselwirkung zwischen ihrer rückwärts wandernden räumlichen Harmonischen,
die mit dem Elektronenstrahl synchronisiert ist, und dem Elektronenstrahl verstärkt. Diese
Wechselwirkung verursacht gleichzeitig eine Bündelung des Elektronenstrahls. Diese Bündelung verursacht
ihrerseits eine Erhöhung der Wellenenergie, welche wiederum eine Bündelung des Elektronen-Strahls
zur Folge hat usw. Somit wird die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen notwendige Rückkopplungsenergie
automatisch durch den Elektronen-" strahl zum Kreis zurückgeführt. Da für eine gegebene
Wellenleiteranordnung die Frequenz der Schwingungen in der Hauptsache durch die Elektronengeschwindigkeit
bestimmt ist und da diese Geschwindigkeit leicht in einem großen Bereich elektrisch verändert
werden kann, kann die Frequenz in hohem Maße und mit einer sehr breiten Bandbreite moduliert
werden.
Die beschriebene Erfindung ist nicht nur auf die dargestellten Ausführungen beschränkt. Außerdem
können die oben im Zusammenhang mit der Zeichnung beschriebenen Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
durch gleichwertige Mittel ersetzt werden, ohne die Art der Erfindung zu ändern. Schließlich wird es dem
mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann klar sein, daß die Abmessungen der in der beigegebenen
Zeichnung dargestellten Wellenleiterkreise in einem weiten Bereich gewählt werden können, ohne daß man
vom Wesen und Ziel der Erfindung abweicht.
Claims (4)
1. Wanderfeldröhre, bei der zur Wellenübertragung ein Rechteckhohlleiter verwendet wird,
in dessen Innern parallel zur Hohlleiterachse eine Verzögerungsleitung für räumlich harmonische
Betriebsweise asymmetrisch angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus einem rohrförmigen Wellenleiter von
rechteckigem Querschnitt besteht, dessen eine Breitseite in Richtung der längs des Wellenleiters
- sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle eine Vielzahl von periodisch aufeinanderfolgenden und
im wesentlichen quer zur Wellenfortpflanzungsrichtung angeordneten Durchbrechungen aufweist,
und daß Mittel vorgesehen sind, einen Elektronenstrahl entlang der mit Durchbrechungen versehenen
Breitseite zu führen.
2. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit Durchbrechungen
vorgesehene Breitseite des Wellenleiters mit einer Breitseite des den Wellenleiter umgebenden
Rechteckhohlleiters leitend verbunden ist.
3. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen
quer zur Wellenfortpflanzung angeordnete Schlitze sind.
4. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Durchbrechungen
versehene Wellenleiter aus einem Teil von U-förmigem Querschnitt besteht, der mit
einem draht- oder bandförmigen Leiter wendelförmig bewickelt ist, derart, daß die Windungen
der Wendel in Abstand voneinander liegen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 827 660.
Deutsche Patentschrift Nr. 827 660.
Hierzu ι Blatt Zeichnungen
©609530/335 6.56 (609 705 12.56)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US328579A US2812468A (en) | 1952-12-30 | 1952-12-30 | Spatial harmonic traveling wave tube |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE954076C true DE954076C (de) | 1956-12-13 |
Family
ID=23281556
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEW12595A Expired DE954076C (de) | 1952-12-30 | 1953-11-18 | Wanderfeldroehre, bei der zur Wellenuebertragung ein Rechteck-Hohleiter verwendet wird |
Country Status (5)
Country | Link |
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Citations (1)
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Patent Citations (1)
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DE827660C (de) * | 1946-11-05 | 1952-01-10 | Western Electric Co | Verstaerker fuer kurze elektromagnetische Wellen |
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