DE970164C - Einrichtung zur Verstaerkung, Erzeugung oder Frequenzumformung von Ultrahochfrequenzschwingungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 28. AUGUST 1958

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verstärken, Erzeugen oder zur Frequenzumformung von ultrahochfrequenten Schwingungen mit Hilfe einer Elektronenröhre, in der eine zunächst gleichförmig vorbeschleunigte Elektronenströmung nacheinander einen Steuerraum, in dem die Elektronen in der Geschwindigkeit moduliert werden, einen feldfreien Laufraum, in dem durch Zusammenballung der Elektronen verschiedener Geschwindigkeit eine Dichtemodulation der Elektronenströmung erreicht wird, und einen Auskoppelraum durchsetzt. Solche Anordnungen sind bereits vorgeschlagen worden.

Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Steuerraum als auch der Auskoppelraum von zwei einander gegenüberstehenden Elektroden begrenzt sind, die Oberflächenbestandteil je eines gleichspannungsmäßig nicht unterbrochenen geschlossenen Resonanzsystems sind, derart, daß sie an einer Stelle elektrischer Feldkonzentration dieser Reso-

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nanzsysteme liegen, wie sie ζ. B. durch toroidförmige Ausbildung der Resonanzsysteme erreicht wird, ι

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. ι ist ein Längsschnitt durch eine Röhre gemäß der Erfindung;

Fig. ι a ist ein Teilschnitt einer gegen Fig. ι etwas abgeänderten Konstruktion;

Fig. 2 ist ein entsprechendes Schaltbild zur Veranschaulichung der in Fig. ι gezeigten Vorrichtung; Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene und teilweise schaubildliche Ansicht eines Teiles des toroidförmi-¹S gen Resonanzkreises, der in der Röhre nach Fig. ι benutzt wird;

Fig. 4 ist ein Grundriß, welcher zeigt, wie der toroidförmige Resonanzkreis zu Abstimmzwecken federnd biegsam gemacht werden kann, und Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch eine Verstärkerröhre gemäß der Erfindung, bei welcher Resonatoren vorgesehen sind, die durch Ausnutzung einer großen Elektronenstrahlfläche eine verhältnismäßig hohe Ausgangsleistung haben.

In Fig. ι schickt' in der Röhre ι die Kathode 4 einen Elektronenstrom durch die durchbrochene Elektrode 20 in einen Resonator 21 aus Metall. Dieser Resonator ist toroidförmig mit der Einschränkung, daß die einspringenden Teile 22 und 23 sich nicht im Mittelpunkt treffen, sondern abgestumpft sind, ehe sie den Mittelpunkt erreichen, und daß sie teilweise durch die Gitter 9 bzw. 10 abgeschlossen werden. Alle Ströme verlaufen auf der inneren Oberfläche des Resonators, und das wechselnde elektromagnetische Feld ist innerhalb des Resonators, während der Teil des Feldes, der mit dem Elektronenstrom zusammenwirkt, sich zwischen den gegenüberliegenden inneren Oberflächen der an dem gleichen Resonator befestigten Gitter erstreckt. Der Metallresonator mit den einspringenden Teilen 22 und 23 ist ein Schwingkreis mit umgrenztem Feld. Toroidförmige Metallresonatoren sind an sich bekannt.

Die von der Kathode 4 ausgesandten Elektronen werden durch das Gitter 20 von der Batterie 6 beschleunigt, deren negativer Pol mit der Kathode 4 verbunden ist. Gitter 20 ist so gestaltet, daß die Elektronen der Kathode4 zu einem parallelen Strahl geformt werden, welcher ohne übermäßige Zerstreuung über eine beträchtliche Entfernung geschickt werden kann. Gitter 20 nimmt nicht Teil an der zyklischen Arbeitsweise des Systems, und seine Form hängt von der räumlichen Gestaltung des Gerätes ab. Gitter 20 ist durch den Rahmen des Apparates mit dem positiven Pol der beschleunigenden Batterie 6 verbunden. Der durch das Gitter 20 parallel gerichtete Elektronenstrahl geht durch die beiden in Abstand angeordneten Gitter 9 und 10 des Resonators 21 hindurch. Der Resonator 21 wird als der Steuerresonator bezeichnet. Wird der Resonator 21 in irgendeiner Weise erregt, so übt er durch seine Gitter9 und 10 eine Steuerung auf die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen aus.

Nachdem die Elektronen durch den Steuerresonator 21 hindurchgegangen sind, durchlaufen sie den auf gleichem Potential befindlichen Raum 24 zwischen dem Steuerresonator und dem Auskoppelresonator 25, welcher im allgemeinen ähnlich und im wesentlichen von derselben Resonanzfrequenz wie der Steuerresonator (oder einer Harmonischen dieser Frequenz) ist, mit der Ausnahme, daß der vordere einspringende Teil 26 des Auskoppelresonators mit einem Anodengitter 27 versehen ist, wohingegen der hintere einspringende Teil 29 mit einer festen Wand abschließt, welche die Endanode oder Auffangeelektrode 12 darstellt. Die Anode 12 kann jedoch auch durchlässig sein, und beim Durchgang der Elektronen durch den Resonator 25 kann Energie abgenommen werden, wie in Fig. 1 a gezeigt.

Die das Gitter 10 mit wechselnder Geschwindigkeit verlassenden Elektronen werden zusammengeballt zu der Zeit, wenn sie am Gitter 27 des Resonators 25 eintreffen. Die Energie der geballten Elektronen wird, nachdem sich Schwingungen ausgebildet haben, weitgehend in dem Feld zwischen dem Gitter 27 und der Anode 12 ausgekoppelt.

Die beiden Resonatoren 21 und 25 sind vorzugsweise in Kontakt, ihre äußeren Oberflächen können Erdpotential haben, und sie werden durch eine einzige Kopplungsschleife 30 gekoppelt, welche durch benachbarte Kopplungsschlitze 31 in den Resonatoren in das Innere beider Resonatoren eintritt. Der Grad der Einführung dieser Schleife in die Resonatoren regelt die Kopplung, da alle Ströme an der inneren Oberfläche des Toroids verlaufen, und das außen bleibende Stück der Schleife kann den Strahler- oder Belastungskreis bilden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Resonatoren 21 und 25 wird in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Fig. 4 zeigt radiale Schlitze in der Wandung des Resonators. Diese dienen dem Zweck, den Resonator in geringem Maße federnd nachgiebig zumachen, so daß der Auskoppelresonator 25 auf den Steuerresonator 21 abgestimmt werden kann, nämlich durch Veränderung des Abstandes zwischen Gitter 27 und Anode 12. Dieses geschieht, indem ein Metallbalg 32 luftdicht an dem Ende des Glaskolbens 1 eingeschmolzen und an dem Ende dieses Balgs ein Abstimmstab 34 dicht eingesetzt wird, der so bewegt werden kann, daß er einen Druck gegen die Anode 12 mittels der Mikrometerschraubenmutter 33 ausübt, die gegen die festen Lager 36 anliegt. Die Schlitze 35 im Resonator 25 können sehr eng sein, in welchem Falle durch sie keine nennenswerten Energiemengen ausgestrahlt werden. Wenn sie von beträchtlicher Breite sind, so kann die ausgestrahlte Leistung mit der Gesamtleistung des Oszillators vergleichbar werden. Es ist zu bemerken, daß in der oben beschriebenen Bauart von Röhren die einzigen notwendigen äußeren Verbindungen diejenigen von der Batterie 6 zu der Kathode 4 und den Resonatoren sind. Alle übrigen Verbindungen befinden sich innerhalb der Röhre.

Der der Röhre nach Fig. 1 gleichwertige Stromkreis ist in Fig. 2 gezeigt, wo der Steuerresonator durch einen üblichen Resonanzkreis, der Aus-

koppelresonator 25 durch einen ähnlichen Kreis und die Kopplungsschleife 30 sowohl mit dem Auskoppel- als auch mit dem Steuerkreis gekoppelt dargestellt ist. s ist eine Beschleunigungselektrode. Bei zu großer Zerstreuung der Elektronen auf ihrer Bahn von dem ersten Gitter zu der Anode kann, wie bereits vorgeschlagen, eine magnetische Fokussierung vorgesehen werden, um sicherzustellen, daß alle Elektronen, die durch das erste Gitter gehen, das dritte unmittelbar vor der Anode 12 befindliche Gitter entweder treffen oder durch dasselbe hindurchgehen. Ferner wurde gefunden, daß zur Vermeidung von zu großer Behinderung undZerstreuung des Strahls während des Durchgangs durch die Gitter die ersten Gitter jalousieförmig ausgebildet werden können, mit Drähten, die nur in einer Richtung laufen, wogegen die Drähte des dritten Gitters im rechten Winkel dazu verlaufen können.

Fig. 5 zeigt zum Beispiel eine Röhre, in welcher der Querschnitt des Elektronenstroms eine große Fläche hat, mit Ultrahochfrequenzresonatoren 21 und 25 von besonderer Bauart. Hier sind die Resonatoren 21 und 25 von wirklicher Toroid- oder Ringwulstgestalt, außer daß in diesem Fall die einspringenden Teile ringförmig sind und ringförmige Gitter 9, 10 und 27 sowie eine ringförmige Anode 12 tragen. Die Kathode kann in diesem Fall in jeder geeigneten Weise gestaltet sein, um dem Strahl einen ringförmigen Querschnitt zu geben, der im Durchmesser dem Durchmesser der ringförmigen Gitter entspricht. Eine Art, nach der dieser Strahlentyp erzeugt werden kann, besteht darin, daß man die Kathode 4 als äquipotentiale Platte gestaltet und an einer Seite derselben einen Ring 50 anbringt, welcher aus einem Werkstoff besteht, der Elektronen aussendet. Die Kathode 4 kann durch eine Heizspule 51 erhitzt werden, welche durch eine Heizquelle 52 gespeist wird. Wenn die Kathode erhitzt ist, findet Emission nur von dem ringförmigen Belag des emittierenden Materials statt, und die Elektronen werden durch die Beschleunigungselektrode 20 in das erste Gitter 9 hineinbefördert werden.

Durch eine derartige Gestalt der Resonatoren ist 4-5 es möglich, eine äußerst hohe Grundfrequenz des Resonators aufrechtzuerhalten und doch einen großen Raum für einen Elektronenstrom sowie eine Vorrichtung von äußerst hoher Leistung bei ultrahohen Frequenzen zu erhalten.

Diese besondere Röhre wird auch, wie oben beschrieben, in Verstärkerschaltung gezeigt, wobei eine Koppelschleife 54 in den Steuerresonator durch einen Schlitz in demselben und eine Auskoppelschleife 55 in den Anodenresonator eintritt. Der Schleife 54 kann Energie zugeführt und von der Auskopppelschleife 55 abgenommen werden, um Verstärkung zu erzielen. Die Abstimmung wird durch mechanische Änderung der Eigenschaften des Anodenresonators vollzogen, wie oben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zum Verstärken, Erzeugen oder zur Frequenzumformung von ultrahochfrequenten Schwingungen mit Hilfe einer Elektronenröhre, in der eine zunächst gleichförmig vorbeschleunigte Elektronenströmung nacheinander einen Steuerraum, in dem die Elektronen in der Geschwindigkeit moduliert werden, einen feldfreien Lauf raum, in dem durch Zusammenballung der Elektronen verschiedener Geschwindigkeit eine Dichtemodulation der Elektronenströmung erreicht wird, und einen Auskoppelraum durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der S feuerraum als auch der Auskoppelraum von zwei einander gegenüberstehenden Elektroden begrenzt sind, die Oberflächenbestandteil je eines gleichspannungsmäßig nicht unterbrochenen geschlossenen Resonanzsystems sind, derart, daß sie an einer Stelle elektrischer Feldkonzentration dieser Resonanzsysteme liegen, wie sie z. B. durch toroidförmige Ausbildung der Resonanzsysteme erreicht wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das eine Elektrodensystem aus zwei Elektroden besteht, die ⁸S solchen Abstand haben, daß ihr Zwischenraum von den Elektronen, welche sich mit einer für den normalen Betrieb der Einrichtung passenden Geschwindigkeit bewegen, in einer Zeit durchlaufen wird, die eine Halbperiode bei der Modu- lationsfrequenz unterschreitet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodensystem (12, 27) aus dem mittleren Teil eines geschlossenen Resonanzsystems (25) von etwa toroidförmiger Gestalt besteht.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodensystem (9, 10) ebenfalls aus dem mittleren Teil eines den Abstimmkreis bildenden geschlossenen Resonanzsystems (21) von etwa toroidförmiger Gestalt besteht, wobei beide Resonatoren zu einer leitenden Einheit vereinigt sind und der Laufraum (24) sich zwischen diesen mittleren Teilen befindet.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite abgestimmte Kreis bei einer Frequenz in Resonanz gelangt, die eine Harmonische der Resonanzfrequenz des ersten Abstimmkreises ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 727 235, 908 743, 553.9.68 277;

   französische Patentschriften Nr. 785663, 789 141, 798581,808567;

   britische Patentschrift Nr. 442 326;

   »Zeitschrift für Physik«, Bd. 95, 1935, S. 752 bis 762.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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