DE961109C - Wanderfeldroehrenanordnung mit richtungsabhaengiger Daempfung - Google Patents
Wanderfeldroehrenanordnung mit richtungsabhaengiger DaempfungInfo
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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 24C 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 26ß 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 66Λ, der sich quer zur
Elektronenbahn erstreckt, und einen ringartigen Teil 66B, der sich in Längsrichtung des Strahls
erstreckt. Die innere Oberfläche des ringartigen Teils 66ß 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 66Λ 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 (8)
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.
Deutsche Patentschriften Nr. 600 on, 836816, 767.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
(€09 657/317 10.56
(609 8S3 3.57)
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