DE961109C

DE961109C - Wanderfeldroehrenanordnung mit richtungsabhaengiger Daempfung

Info

Publication number: DE961109C
Application number: DEW13774A
Authority: DE
Inventors: William Mchenry Goodall; Rudolf Kompfner; Harry Suhl
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1953-06-17
Filing date: 1954-04-22
Publication date: 1957-04-04
Also published as: NL89709C; US2911554A; BE529575A; CH331669A; NL187895B

Description

AUSGEGEBEN AM 4. APEIL1957

W13774 Villa/2ia*

Die Erfindung bezieht sich auf eine 'Wanderfeldröhrenanordnung, bei welcher ein Elektronenstrahl mit einer hochfrequenten elektromagnetischen Wellenbahn in Wechselwirkung tritt; insbesondere betrifft die Erfindung Wanderfeldröhrenanordnungen dieser Art, wobei die Wellen in einer Richtung entlang eines Wellenleiters stärker gedämpft werden als in der entgegengesetzten Längsrichtung.

Nach bekannten Vorschlägen wurde die richtungsabhängige Dämpfung dadurch verwirklicht, daß in dem Übertragungsweg der elektromagnetischen Wellen elektronische Mittel angeordnet sind, welche die in einer Richtung entlang des Übertragungsweges fortschreitenden Wellen beträchtlich mehr dämpfen als die Wellen, die in der entgegengesetzten Richtung, entlang des Übertragungsweges fortschreiten.

Zur Lösung des gleichen Problems geht die Erfindung einen anderen Weg und beruht auf folgenden Erwägungen: Bisher war es bei Wanderfeldröhren im allgemeinen notwendig, eine beträchtliche hochfrequente Dämpfung im bzw? längs des Übertragungsweges der fortschreitenden Welle vorzusehen, um Stabilität zu erhalten und Störungen

zu vermeiden. Der Grund hierfür liegt darin, daß es außerordentlich schwierig ist, eine genaue Impedanzanpassung zwischen dem Wanderfeldröhren-Wechselwirkungskreis und dem Signaleingangs- und -ausgangskreis in dem breiten Frequenzbereich, in dem die Röhre eine Verstärkung ermöglicht, zu gewährleisten. Bei einer Fehlanpassung werden die Teile des hochfrequenten Signals zusammen mit Rauschkomponenten entlang des Wechselwirkungskreises hin und her reflektiert. Derartige Teilwellen werden in aufeinanderfolgenden Vorwärtsdurchgängen entlang des Wechselwirkungskreises verstärkt und können Schwingungen hervorbringen, die eine Instabilität der Röhre ergeben. Überdies wird die Signalwelle, wenn solche Teilwellen zum Eingangsende des Wechselwirkungskreises reflektiert und hier der .ankommenden Signalwelle überlagert werden, entartet, wobei sich eine Erscheinung ergibt, die man mit Impedanzeffekt langer Leitungen bezeichnen kann. Durch Anbringen einer Dämpfung im Übertragungsweg der fortschreitenden Welle werden die reflektierten Teilwellen, die entgegengesetzt zur Richtung des Elektronenstrahls fortschreiten, absorbiert. Jedoch wird durch eine solche Dämpfung in gleichem Maße auch Energie der Signal welle, die in Richtung des Elektronenstrahls fortschreitet, absorbiert. Eine gewisse Unterscheidung in den beiden Richtungen wird jedoch dadurch erreicht, daß sich die Signalmodulation im Elektronenstrahl nur in Richtung der Elektronenbahn bewegt. Im allgemeinen ist die Röhre stabil, wenn die Dämpfung im Übertragungsweg der fortschreitenden Welle bei Nichtvorhandensein des Elektronenstrahls die reine Wechselns Wirkungsverstärkung in Vorwärtsrichtung, d. h. im Sinne der in Richtung des Elektronenstrahls fortschreitenden Welle, bei allen Frequenzen übersteigt. Dies gilt mit folgender Ausnahme: Wenn der Wechselwirkungskreis räumlich harmonische Wellenkomponenten führt, entstehen Rückwärtswellenschwingungen bei Strahlstromwerten, die für eine hohe Vorwärtsverstärkung vorteilhaft sind. Die Einschaltung einer Dämpfung in den Übertragungsweg der fortschreitenden Welle in der üblichen Art und Weise beeinträchtigt dann im allgemeinen in gleichem Maße die Fähigkeit zur Verstärkung und die Fähigkeit Schwingungen in der Rückwärtswellenform auszuführen, während nach der Erfindung die Neigung zur Schwingung in einer Rückwärtswellenform in wesentlichem Ausmaß verhindert ist und auf die Fähigkeit der Nutzverstärkung ein nur geringer Einfluß ausgeübt wird. Wenn auch das Anbringen einer Dämpfung im allgemeinen zur Unterdrückung von infolge innerer Reflexionen auftretenden Schwingungen nützlich ist, so vermindert sie doch auch die verfügbare Gesamtverstärkung, bringt also eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrads, insbesondere bei Hochleistungsröhren, mit sich und bewirkt zusätzlich eine Verschlechterung der Rauschzahl, besonders bei Röhren mit kleinem Rauschen. Wenn die Dämpfung lokalisiert auf einer nur kurzen Strecke entlang des Wellenleiters angebracht ist, besteht überdies die Neigung, daß eine gewisse Reflexion von Energie an der Dämpfung auftritt, und außerdem wird eine Verschlechterung der Frequenzabhängigkeit der Röhre verursacht.

Im Hinblick hierauf hat es sich die Erfindung zur speziellen Aufgabe gemacht, bei Wanderfeldröhren die Stabilität aufrechtzuerhalten und durch die Leitungslänge bedingte Impedanzeinflüsse bei minimaler Auswirkung auf Verstärkung, Wirkungsgrad und Rauschzahl zu verringern.

Es sind bereits Stoffe bekannt, bei denen von gyromagnetischen Erscheinungen Gebrauch gemacht wird, um nichtreziproke Phasengeschwindigkeiten und Dämpfungskonstanten zu erhalten. Typisch für solche Erscheinungen sind der Halleffekt, die Zyklotronresonanz in einem Plasma, der ferromagnetische Faradayeffekt und die ferromagnetische Resonanz. Es ist bekannt, daß die beiden letzten Effekte bei einer Gruppe von ferromagnetischen Stoffen von besonderer Bedeutung sind, die als »Ferrite« bezeichnet werden. Ferrite sind verhältnismäßig homogene kristallinische chemische Verbindungen, welche aus den Reaktionsprodukten von Eisenoxyd und wenigstens einem anderen metallischen Oxyd bestehen, und welche in einem besonderen Magnetisierungszustand eine nichtreziproke Wirkung auf in ihnen fortschreitende zirkulär polarisierte Wellen haben.

Bezüglich einer mehr ins einzelne gehenden Beschreibung der maßgebenden Theorie wird auf einen Aufsatz im Bell System Technical Journal, Januar 1952, S. 1 bis 31, mit dem Titel »The Ferromagnetic Faraday Effect at Microwave Frequencies and its Applications — The Microwave Gyrator« von C. L. Hogan verwiesen.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der ferromagnetischen Resonanz und des Faradayeffektes in ferromagnetischen Stoffen, wie Ferriten, um eine in einer Richtung vorherrschende Dämpfung längs eines Wellenleiters zu erhalten. Bei Wanderfeldröhren, bei denen die Verstärkung durch Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer üblicherweise in Richtung des Elektronenstrahls fortschreitenden Welle (also in Vorwärtsrichtung) erreicht wird, wird die Dämpfung in Rückwärtsrichtung vorherrschend gemacht. Wenn die Verstärkung durch Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer in entgegengesetzter Richtung (also in Rückwärtsrichtung) fortschreitenden Welle erzielt wird, wie es für Rückwärtswellenverstärker und Oszillatoren kennzeichnend ist, wird die Dämpfung in Vorwärtsrichtung vorherrschend gemacht.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Element aus Ferrit in der Nähe des Wellenleiters angeordnet, und zwar in einem Gebiet, wo die fortschreitenden hochfrequenten Wellen große, zirkulär polarisierte magnetische Komponenten aufweisen, d. h. in einem Gebiet, wo der hochfrequente magnetische Vektor einen Kreis beschreibt, wenn die Hochfrequenzwellen vorbeiziehen. Der Zustand der statischen Magnetisierung des Ferrits (Vormagnetisierung) wird dabei so eingestellt, daß die

statischen magnetischen Kraftlinien senkrecht zur Rotationsebene der zirkulär polarisierten magnetischen Komponenten der hochfrequenten Wellen verlaufen, und zwar in einer Dichte, die ausreicht, um den Ferrit bis zu einem Bereich gyromagnetischer Resonanz vorzumagnetisieren. Auf diese Weise werden elektromagnetische Wellen, die entlang des Wellenleiters in der einen Richtung fortschreiten, beträchtlich gedämpft, während die ίο gleichen elektromagnetischen Wellen, die entlang des Wellenleiters in der entgegengesetzten Richtung fortschreiten, nur wenig gedämpft werden.

Die bei der Erläuterung der Erfindung in Verbindung mit den magnetischen Feldkomponenten der elektromagnetischen Welle benutzten Bezeichnungen »Polarisation« und »Polarisationsebene« beziehen sich auf die Drehung des magnetischen Vektors der Welle in einem gegebenen Punkt, wenn sich die Welle an diesem Punkt vorbeibewegt. Der magnetische Vektor rotiert mit einer durch die Frequenz der Welle bestimmten Geschwindigkeit, und die Drehrichtung steht in Beziehung zur Fortpflanzungsrichtung der Welle. Unter »Polarisation« der Welle an einem bestimmten Punkt ist das von dem Vektor bestrichene und an diesem Punkt fixierte Muster zu verstellen. Die Ebene der durch den gegebenen Punkt verlaufenden Drehbewegung wird »Polarisationsebene« genannt.

Bei später im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung dient ein wendeiförmiger Leiter als Wellenleiter, und ein hohler Zylinder aus Ferrit, der entgegen der axialen Richtung in Umgangsrichtung vormagnetisiert ist, umgibt die Wendel, um die gewünschte richtungsabhängige Dämpfung zu erzeugen. Man hat festgestellt, daß bei einer derartigen Anordnung das hochfrequente magnetische Feld außerhalb der Wendel elliptisch polarisiert ist, wobei die Polarisationsebenen im wesentlichen mit Ebenen durch die Achse der Wendel zusammenfallen. In durch die Wendelachse gehenden Ebenen besitzt demgemäß eine entlang der Wendel in einer Richtung fortschreitende Welle eine zirkulär polarisierte Komponente mit einem bestimmten Vorzeichen, während eine in der entgegengesetzten Richtung fortschreitende Welle eine zirkulär polarisierte Komponente mit entgegengesetztem Vorzeichen hat. (Es ist zweckmäßig, eine zirkuläre Polarisation, die sich bei Betrachtung eines vormagnetisierenden Vektors in Nord-Süd-Richtung im Uhrzeigersinn dreht, mit positiv zu bezeichnen, und mit negativ eine Polarisation, die sich gegen den Uhrzeigersinn dreht.) Da in einem Ferrit die Permabilitat für eine hochfrequente Welle, deren magnetische Feldstärke eine Richtung aufweist, die senkrecht zur Richtung der magnetischen Kraftlinien der Gleichstromvormagnetisierung des Ferrits liegt, durch das Vorzeichen der zirkulären Polarisation entgegengesetzt beeinflußt wird, wird die entlang der Wendel fortschreitende Welle beim Durchgang durch den Ferritzylinder um Beträge gedämpft, die von der Durchgangsrichtung abhängen.

Bei jedem der beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung wird zur Fokussierung des Elektronenstrahls außerdem ein statisches magnetisches Längsfeld verwendet. Dazu empfiehlt es sich, eine Reihe von Ferritzylindern mit Abständen in Längsrichtung anzubringen, welche die Wendel umgeben und in Umfangsrichtung vormagnetisiert sind.

Fig. ι zeigt die magnetischen Kraftlinien, die zu einer entlang einer Wendel fortschreitenden Welle gehören;

Fig. 2 zeigt einen eine Wendel umgebenden Ferritzylinder, der gemäß einem Erfindungsmerkmal in Umfangsrichtung vormagnetisiert ist, um entlang der Wendel fortschreitenden Wellen eine nichtreziproke Dämpfung zu verleihen;

Fig. 3 und S zeigen Längsschnitte durch Wandelfeldröhren, bei denen erfindungsgemäß Ferritelemente verwendet sind;

Fig. 4 A bis 4 D zeigen verschiedene mögliche Anordnungen, um in einem zylindrischen Ferritelement zur Durchführung der Erfindung ein magnetisches Feld in Umfangsrichtung zu erhalten.

Es soll nun näher auf die Zeichnungen eingegangen werden. Fig. 1 ist, ein Längsschnitt durch die Achse eines wendelförmig gewickelten Leiters 10, an dem entlang eine hochfrequente Welle fortschreitet. Man hat festgestellt, daß die zur fortschreitenden Welle gehörenden magnetischen Kraftlinien Schleifen sind, die nahezu in Ebenen durch die Wendelachse liegen. In Fig. 1 sind der Einfachheit halber die Schleifen der magnetischen Kraftlinien so dargestellt, als ob sie gänzlich in der mit der Zeichenfläche zusammenfallenden Ebene durch die Wendelachse liegen. In der Umgebung der Wendel hat die magnetische Feldstärke Komponenten, die elliptisch polarisiert sind. Man hat gefunden, daß die magnetische Feldstärke mit wachsendem Abstand von der Wendel abnimmt, wobei die hinsichtlich der Polarisation elliptische Form mit wachsendem Abstand von der Wendel mehr kreisförmig wird. Bei der Durchführung der Erfindung ist es vorteilhaft, das ferritische Material sowohl in einem Gebiet mit möglichst hoher magnetischer Feldstärke als auch in einem Gebiet mit zirkularer Polarisation anzuordnen. Gewöhnlich ist jedoch festzustellen, daß es für den Betrieb von Wanderfeldwendelröhren besonders vorteilhaft ist, wenn der Ferritzylinder die Wendel so eng wie möglich umgibt. In Fig.-3 bis 5 ist die Wendel hinsichtlich des relativen Durchmessers kleiner dargestellt als es wirklich der Fall ist, um die Zeichnung zu vereinfachen und klarer zu gestalten. Die Drehrichtung der zirkulär polarisierten magnetischen Feldstärke hängt von der Richtung der Wellenfortpflanzung ab, sie ist für entgegengesetzte Richtungen der Wellenfortpflanzung entgegengesetzt. Zum Beispiel verläuft die Drehung für eine von links nach rechts fortschreitende Welle gegen den Uhrzeigersinn und für eine von rechts nach links laufende Welle im Uhrzeigersinn. Dies bedeutet lediglich, daß an einer gegebenen Stelle der magnetische Vektor im wesentlichen einen Kreis

beschreibt, dessen Drehrichtung von der Fortpflanzungsrichtung der Welle abhängt. Erfindungsgemäß wird dieser Unterschied in der Drehrichtung der zirkulär polarisierten Komponenten der in entgegengesetzten Richtungen entlang eines wendeiförmigen Wellenleiters fortschreitenden Wellen dazu benutzt, um einen Unterschied in der Dämpfung in den beiden Richtungen zu erhalten. In Fig. 2 ist ein wendeiförmiger Leiter 11 dargestellt, der von einem hohlen Ferritzylinder 12 umgeben ist, der — wie dargestellt — in Umf angsrichtung vormagnetisiert ist, wobei die magnetischen Kraftlinien in Ebenen senkrecht zur Wendelachse liegen, in denen die hochfrequenten magnetischen Feldstärken große zirkulär polarisierte Komponenten aufweisen. Wenn das Ferrit in einer gegebenen Richtung vormagnetisiert ist, ändert sich bekanntlich die Dämpfung für eine hochfrequente Welle, deren magnetische Feldstärke in einer ao Richtung senkrecht zur Vormagnetisierungsrichtung zirkulär polarisiert ist, mit der Drehrichtung der zirkulären Polarisation, d. h. also in Fig. 2 mit der Fortpflanzungsrichtung der Welle. Wenn insbesondere das Ferrit auf einen Punkt nahe der ferro-S5 magnetischen Resonanz vormagnetisiert ist, wird die nichtreziproke Eigenschaft der Dämpfung erheblich vergrößert. Gemäß einer speziellen Ausführung " der Erfindung, die bei wendeiförmigen Wellenleiterkreisen anwendbar ist, wird das Ferrit so vormagnetisiert, daß es magnetische Kraftlinien in Ebenen senkrecht zur Wendelachse aufweist. Dadurch, daß diese magnetischen Kraftlinien in Umfangsrichtung und konzentrisch zur Wendelachse verlaufen, wird die Bedingung des Senkrecht-Stehens in bezug auf in allen durch die Wendelachse gehenden Ebenen erfüllt. Bei Versuchen, die unter Verwendung eines Ferritzylinders mit der Zusammensetzung NiO₃, ZnO₇, Fe₂O₄ durchgeführt werden, hat man mit einem in Umfangsrichtung angelegten statischen Magnetfeld von 10 bis 20 Örsted beträchtliche nichtreziproke Dämpfungseffekte erzielt.

Es sei bemerkt, daß die Erfindung in gewissem Sinne einen Isolator ergibt, der aus einem wendelförmigen Leiter ein im wesentlichen nichtreziprokes Übertragungselement macht. Ein solches nichtreziprokes Wendelübertragungselement besitzt auch Anwendungsmöglichkeiten außerhalb des Gebiets der Wandelfeldröhren. Zum Beispiel kann es in Reihenschaltung in einen geeigneten Übertragungsweg eingeschaltet werden, um dem Weg nichtreziproke Übertragungseigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel kann die Wendel in eine koaxiale Übertragungsleitung eingeschaltet werden, wobei 1 die Wendel als Fortsetzung des Innenleiters der I Leitung ausgebildet ist, um der Leitung nichtrezi- | proke Dampfungseigenschaften zu verleihen. Wie ' später zu sehen ist, geschieht dieses im wesentlichen ^! in der in Fig. 3 dargestellten Wanderfeldröhre. | Dort wird zusätzlich ein Elektronenstrahl durch , die Wendel geführt, um eine negative Dämpfung ! in einer bevorzugten Richtung zu erhalten. Anderer- j seits kann die Wendel in Reihenschaltung zwischen | zwei Wellenleiter geschaltet werden, wie es für die in Fig. S dargestellte Wanderfeldröhre kennzeichnend ist.

Als Erläuterungsbeispiel ist die schematisch in Fig· 3 gezeigte Wanderfeldwendelröhre mit einer Dämpfung versehen, die gemäß dem oben angegebenen Erfindungsprinzip nichtreziprok ist. Die verschiedenen Röhrenelemente sind in einem Glaskolben 20 untergebracht. An einem Ende des Kolbens befindet sich die Elektronenstrahlquelle, die hier in einfacher Weise als Elektronen emittierende Kathode 21 dargestellt ist. Am gegenüberliegenden Ende des Kolbens ist eine Auffangelektrode 22 zum Sammeln der »verbrauchten« Elektronen angeordnet. Entlang der Bahn des Elektronenstrahls ist der wendeiförmige Leiter 23 vorgesehen, der als Wellenleiter zur Fortpflanzung einer »langsamen« elektromagnetischen Welle und zur Kopplung des Feldes mit dem Elektronenstrahl dient.

Zum Ein- und Auskoppeln der Wellenenergie bei einer Wanderfeldwendelröhre sind verschiedene Anordnungen bekannt. Bei der als Beispiel verwendeten Anordnung werden die zu verstärkenden Wellen durch die koaxiale Leitung.24 zugeführt, die mit dem eingangsseitigen Ende der Wendel gekoppelt ist. Zu diesem Zweck ist der die Wendel bildende Leiter durch den Röhrenkolben geführt und elektrisch mit dem Innenleiter 24^ der koaxialen Leitung verbunden. Zur Impedanzanpassung ist es vorteilhaft, die Steigung der Wendel in einem Endgebiet 25 allmählich zu vergrößern und den Durchmesser des Kopplungsendes des Innenleiters der koaxialen Leitung auf die Größe des Durchmessers des die Wendel bildenden Leiters allmählich zu verkleinern. Der Außenleiter 24g der koaxialen Leitung ist vorteilhafterweise am Ende erweitert, um einen Bund 24_C zu bilden, der einen Teil des Röhrenkolbens umgibt. Am ausgangsseitigen Ende der Wendel werden die verstärkten Wellen einer koaxialen Leitung 26 zugeführt. Die Kopplung gleicht hier derjenigen am eingangsseitigen Ende, wobei der Innenleiter 26,4 der koaxialen Leitung mit dem Leiter, der die Wendel bildet, mit Hilfe eines Impedanzanpaßteils 27, längs welchem die 'Wendelsteigung allmählich zunimmt, verbunden ist und der Außenleiter 26_ß der koaxialen Leitung als Bund 26c ausgebildet ist, der einen Teil des Röhrenkolbens umgibt. Zusätzlich ist es üblich, entlang der Elektronenstrahlbahn ein magnetisches Längsfeld anzubringen, um den Strahl zylindrisch zu halten. Zu diesem Zweck umgibt den Röhrenkolben eine Zylinderspule 28.

Im vorausgegangenen sind kurz die Grundelemente einer üblichen Wanderfeldwendelröhre geschildert worden. Wie oben erklärt wurde, besteht ein Merkmal der. vorliegenden Erfindung in einer Anordnung zum Einschalten einer Dämpfung in dem Wellenleiterweg der Röhre, welche die vom ausgangsseitigen zum eingangsseitigen Ende der Wendel laufenden Wellen beträchtlich mehr beeinflußt, als die vom eingangsseitigen zum ausgangsseitigen Ende laufenden Wellen. Es ist im all-

gemeinen erwünscht, einen Unterschied von wenigstens 40 Dezibel zwischen den beiden Übertragungsrichtungen zu haben. Zu diesem Zweck sind um den Röhrenkolben eine Reihe von hohlen Ferritzylindern oder Ringen 29 angeordnet, die sich sämtlich im Zustand einer in Umfangsrichtung verlaufenden Vormagnetisierung, wie sie oben beschrieben wurde, befinden. Es ist zweckmäßig, statt eines langgestreckten Zylinders eine Reihe mit Abstand hintereinanderliegender Zylinder zu verwenden, wenn wie hier ein magnetisches Längsfeld zur Strahlfokussierung benutzt wird. Auf diese Weise dient die Reihe von nicht magnetischen Spalten 30 zwischen den Ferritzylindern dazu, den magnetischen Widerstand in der Zylinderreihe für das magnetische Längsfeld hoch zu halten. Dies ist vorteilhaft, um sowohl die Störung des axialen magnetischen Feldes im Gebiet des Elektronenstrahls als auch die des magnetischen Umfangsfeldes in den Ferritzylindern klein zu halten. Es kann vorteilhaft sein, die Spalte 30 mit einem geeigneten, nicht magnetischen Material auszufüllen, so daß die Ferritzylinderreihe eine Einheit bilden kann. Es ist zum Kleinhalten von Reflexionseffekten außerdem vorteilhaft, den äußeren Durchmesser der Ferritzylinder an den Wendelenden, wie in Fig. 3 dargestellt, zu verjüngen.

Zur Vormagnetisierung der Ferritzylinder in der gewünschten Umfangsrichtung sind verschiedene Anordnungen möglich. Die einfachste technische Anordnung erhält man, wenn die Zylinder permanent magnetisiert sind. Wenn die Höhe der permanenten Eigenmagnetisierung des Ferritmaterials nicht ausreicht, kann es zweckmäßig sein, das gewünschte Ferritmaterial mit einem magnetischen Material hoher Koerzitivkraft zu mischen und der Mischung die permanente Vormagnetisierungsstärke zu geben, die zum Betrieb in dem dicht bei dem Punkt mit ferromagnetischer Resonanz liegenden Bereich notwendig ist, in welchem die nichtreziproke Dämpfungseigenschaft auftritt. Andererseits kann der Zylinder auch aus Schichten aus Ferrit und magnetischem Material zusammengesetzt sein. Dabei kann es zweckmäßig sein, große Druckkräfte zu verwenden, um das Ferrit auf den gewünschten Wert permanent vormagnetisieren zu können.

Andererseits ist es möglich, das Vormagnetisierungsfeld mit Hilfe einer Spule zu erhalten. In Fig. 4A ist ein Ferritzylinder 40 dargestellt, auf den eine Vormagnetisierungsspule 41 gewickelt ist, die bei Erregung ein magnetisches Feld in Umfangsrichtung in dem die Wendel 42 umgebenden Ferritzylinder erzeugt.

Eine andere Anordnung zur Erzeugung des gewünschten Vormagnetisierungsfeldes ist in Fig. 4 B dargestellt. Hier wird dem Leiter 50, der axial durch den Ferritzylinder 51 geht, ein Erregungsgleichstrom zugeführt. Der Leiter kann, wie ge- zeichnet, aus der Wendel selbst bestehen oder einfach ein gerader Leiter sein.

Eine weitere Anordnung ist in Fig. 4 C dargestellt. Hier ist der permanente Magnet 70 mit einem Ferritsektor 71 kombiniert, so daß ein die Wendel 71,4 umgebender geschlossener Kreis entsteht.

Ein weiteres Mittel, das angewendet werden kann, um in Umfangsrichtung vormagnetisierte Ferritelemente in Verbindung mit axialen magnetischen Fokussierungsfeldern benutzen zu können, ist in Fig. 4 D dargestellt. Das Ferritelement ist als Wendel 72 ausgebildet, die koaxial zum wendeiförmigen Wechselwirkungskreis 73 liegt. Dadurch wird das axiale magnetische Feld, indem es dem wendeiförmigen Weg des Ferrits folgt, in ein wendeiförmiges Feld umgewandelt, das eine Umfangskomponente hat, die senkrecht zu den Rotationsebenen der zirkulär polarisierten Komponenten der zu dem wendeiförmigen Wechsel Wirkungskreis gehörigen hochfrequenten magnetischen Felde liegt.

Aus diesen verschiedenen Anordnungen ist zu ersehen, daß es zahlreiche Wege zur Erreichung des gewünschten statischen Magnetisierungszustandes in Umfangsrichtung für die die Wendel umgebenden Ferritelemente gibt.

Außerdem ist es auf Grund des erklärten Arbeitsprinzips offensichtlich, daß die Ferritelemente axial in den Bereich eingesetzt werden können, welcher durch den wendeiförmigen Leiter begrenzt ist, um auf das hochfrequente magnetische Feld in einem Bereich mit im wesentlichen zirkularer Polarisation einzuwirken, damit die gewünschten nichtreziproken Dämpfungseigenschaften erzielt werden.

Ferner ist in jüngerer Zeit ein Fokussierungsverfahren für einen Elektronenstrahl vorgeschlagen worden, bei dem ein längs des Elektronenstrahls periodisch sich änderndes statisches magnetisches Längsfeid verwendet wird. Zum Beispiel wird die Stärke der Signalwelle in Abhängigkeit von der Entfernung von dem Kreis für entgegengesetzte Signalfortpflanzungsrichtungen längs des Kreises unterschiedlich abnehmen. Demgemäß wird außerhalb · des Kreises angeordnetes Verlustmaterial Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen, in unterschiedlichem Ausmaß dämpfen.

In Fig. S ist schematisch eine nach einem solchen Fokussierungsprinzip ausgeführte Wanderfeldröhre dargestellt, die im übrigen der Empfehlung der vorliegenden Erfindung entspricht. Die Wanderfeldröhre besteht in üblicher Form aus einem evakuierten Glaskolben 60, in dem an gegenüberliegenden Enden eine Elektronenquelle 61 und eine Auffangelektrode 62 untergebracht sind und einen wendeiförmigen Leiter 63, der entlang der Elektronen- strahlbahn angeordnet ist. Die zu verstärkenden Wellen werden der Röhre von einem Eingangswellenleiter 64 zugeführt, der an ein Ende des wendeiförmigen Leiters 63 angekoppelt ist; die verstärkten Wellen werden am gegenüberliegenden Ende abgenommen und in einen Ausgangswellenleiter 65 geleitet. Das periodisch sich ändernde statische magnetische Feld zur Fokussierung des Elektronenstrahls wird durch eine geeignete permanentmagnetische Anordnung erzielt, für die in Fig. 5 eine typische Form dargestellt ist. Eine Reihe

von ringförmigen Elementen 66 aus magnetischem Material mit einer höheren Permeabilität als die des Ferrits, das zur Erzielung der nichtreziproken Dämpfungseigenschaften verwendet werden soll, z. B. aus weichem Eisen, ist um den Röhrenkolben herum angeordnet, und zwar in Abständen, so daß eine Reihe von Spalten 67 längs der Elektronenbahn gebildet wird. Jedes ringförmige Element 66 hat einen fianschartigen Teil 66_Λ, der sich quer zur Elektronenbahn erstreckt, und einen ringartigen Teil 66_B, der sich in Längsrichtung des Strahls erstreckt. Die innere Oberfläche des ringartigen Teils 66_ß ist mit einer ringförmigen Nut versehen, in der sich ein ringförmiges Ferritelement der oben beschriebenen Art befindet, d. h. in Umfangsrichtung vormagnetisiert ist, um auf elektromagnetische Wellen, die entlang des wendeiförmigen Leiters fortschreiten, eine nichtreziproke Dämpfung auszuüben. Die aufeinanderfolgenden magnetischen Elemente 66 dienen als Polschuhe, wobei benachbarte Elemente entgegengesetzte Polung aufweisen. Zu diesem Zweck sind die der Elektronenbahn abgewandten Enden der flanschartigen Teile 66_Λ benachbarter magnetischer Elemente 66 durch zylindrische, ringförmige permanente Magnete 69 überbrückt, die in axialer Richtung magnetisiert sind. Die Orientierung der Pole aufeinanderfolgender Magnete 69 ist jeweils umgekehrt, um benachbarte magnetische Elemente 66 entgegengesetzt zu polen.· Durch eine Anordnung dieser Art entsteht entlang der Elektronenbahn durch die Spalte 67 eine Folge von Gebieten mit .magnetischem Längsfeld, dessen Richtung in aufeinanderfolgenden Gebieten umgekehrt ist. Der Elektronenstrahl kann durch ein derartiges magnetisches Feld, das seine Richtung in räumlicher Folge periodisch umkehrt, fokussiert werden. Dabei verläuft in den Gebieten, wo sich die Ferritelemente befinden, der magnetische Längsfluß fast ganz innerhalb des ringartigen Teils 66g eines jeden ringförmigen Elements 66, da der magnetische Widerstand dieses Weges beträchtlich kleiner ist als derjenige des Wegs durch die Ferritelemente. Auf diese Weise entsteht nur ein geringer Einfluß auf das statische magnetische Feld in Umfangsrichtung, mit dem jedes Ferritelement vormagnetisiert ist.

Es ist ferner bekannt, daß Ferrite bei geeignetem Magnetisierungszustand nichtreziproke Fortpflanzungseigenschaften analog den oben beschriebenen nichtreziproken Dämpfungseigenschaften zeigen. Es entspricht dem allgemeinen Prinzip der Erfindung, daß diese nichtreziproken Fortpflanzungseigenschaften durch Einfügung von Widerstandsmaterial in den Wellenleiterweg ausgenutzt wird, um nichtreziproke Gesamtdämpfungseigenschaften zu erzielen.

Wenn auch die Erfindung mit spezieller Bezugnahme auf eine Ausführung mit einer Wanderfeldröhre, bei der als Wechselwirkungskreis eine Wendel verwendet wird, beschrieben wurde, so ist das Prinzip selbstverständlich in gleicher Weise auf Wanderfeldröhren mit anderen Formen von Wechselwirkungskreisen anwendbar. Bei der Anwendung desErfindungsprinzips auf andere Formen von Wechselwirkungskreisen soll man zunächst den Verlauf des zu diesen Kreisen gehörigen hochfrequenten magnetischen Feldes untersuchen, um ein Gebiet mit zirkularer Polarisation zu finden. Dann ordnet man dort ein Ferritelement mit einem solchen Magnetisierungszustand an, daß seine Vormagnetisierungskraftlinien senkrecht zu den zirkulär polarisierten Komponenten des hochfrequenten magnetischen Feldes liegen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Wanderfeldröhrenanordnung, bei der ein Elektronenstrahl mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, die längs eines Wellenleiters geführt werden, in Wechselwirkung tritt, wobei die Wellen in einer Richtung entlang des Wellenleiters stärker gedämpft werden als in der entgegengesetzten Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtreziproke Dämpfung mittels eines statisch vormagnetisierten ferromagnetischen Materials verwirklicht wird, welches in der Nähe eines Gebietes mit zirkularpolarisierten magnetischen Komponenten der Wellen angeordnet ist, und zwar so, daß die statischen magnetischen Kraftlinien des vormagnetisierten Materials senkrecht zur Rotationsebene der magnetischen Komponenten der hochfrequenten Wellen verlaufen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material unterhalb seines ferromagnetischen Resonanzpunktes magnetisiert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus einer leitenden Wendel besteht und das magnetisierte Element aus ferromagnetischem Material ein Ferritzylinder ist, der in Umfangsrichtung magnetisiert ist und koaxial mit der Wendel angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß um den Ferritzylinder eine Längsspule gewickelt ist raid daß an die Spule eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, um den Zylinder in Umfangs richtung zu magnetisieren.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritzylinder mit einem Längsspalt versehen ist und daß in dem Spalt ein permanenter Magnet angeordnet ist, um den Zylinder in Umfangsrichtung zu magnetisieren.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Ferritzylinders koaxial ein Leiter angeordnet ist und daß an den Leiter eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, um den Ferritzylinder in Umfangsrichtung zu magnetisieren.

7. Anordnung nach Anspruch-^, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelenden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, um

den Ferritzylinder in Umfangsrichtung zu magnetisieren.

8. Anordnung nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierte Element aus ferromagnetischem Material aus einer Folge von Ferritelementen besteht, die in Abständen entlang des Wellenleiters von dessen Eingangsgebiet bis zu dessen Ausgangsgebiet angeordnet sind.

g. Wanderfeldröhrenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine Wendel ist und daß jedes der aufeinanderfolgenden Ferritelemente ein Zylinder ist, der die Wendel koaxial umgibt.

io. Anordnung nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen benachbarten Ferritzylindern von einem Zylinder aus nicht magnetischem Material eingenommen wird, ii. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden benachbarten Ferritzylindern ein permanentmagnetisches Element angeordnet ist, wobei aufeinanderfolgende magnetische Elemente einen Abstand voneinander aufweisen und entgegengesetzt magnetisiert sind, um auf dem Weg eine Folge von abwechselnd entgegengesetzt gerichteten magnetischen Längsfeldern zu erzeugen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 600 on, 836816, 767.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

(€09 657/317 10.56 (609 8S3 3.57)