DE971349C - Einrichtung zur Frequenz- und Phasenmodulation mit einer Wanderfeldroehre - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß eine Wanderfeldverstärkerröhre in Schwingungen gerät, wenn ihre Verzögerungsleitung an ihren beiden Enden nicht hinreichend reflexionsfrei abgeschlossen ist. Die so erzeugten Schwingungen lassen sich durch Variation der Betriebsspannung der Wanderfeldröhre in engen Grenzen frequenzmodulieren. Da ein derartiger Oszillator aber relativ viele diskrete Schwingbereiche aufweist, besteht immer die Gefahr, daß die Schwingung durch die Modulation von dem gewünschten Schwingungsbereich in einen der benachbarten ungewollten Bereiche sprunghaft übergeht. Überdies ändert sich innerhalb des Modulationsbereiches sehr stark die Amplitude der Schwingung.

Diese Nachteile können in bekannter Weise verringert werden, indem die obenerwähnte »innere« Rückkopplung verhindert und eine »äußere«· Rückkopplung etwa in Gestalt einer Rückkopplungsleitung vorgesehen wird, die den Ausgang der Wanderfeldröhre mit ihrem Eingang verbindet und die an Ausgang und Eingang der Wanderfeldröhre möglichst reflexionsfrei angekoppelt wird. Durch diese Maßnahme wird die Zahl der möglichen Schwingungsbereiche und damit die Gefahr des Überspringens von einem Bereich zum anderen etwas verringert, der maximal erreichbare Frequenzhub etwas vergrößert. Aber auch hier treten innerhalb des Frequenzhubes starke Schwankungen der Amplitude der Schwingung auf.

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Es ist ferner bekannt, in die äußere Rückkopplungsleitung ein Bandfilter einzuschalten, das nur für die Frequenzen eines der möglichen Schwingungsbereiche durchlässig ist und alle übrigen sperrt. Durch diese Maßnahme wird ein Überspringen der Frequenz in einen anderen Bereich mit Sicherheit vermieden, die Modulationseigenschaften eines derartigen Oszillators unterscheiden sich aber nicht wesentlich von denen der vorstehend beschriebenen Oszillatoren,
ίο Es ist weiterhin bekannt, die Verzögerungsleitung von Wanderfeldröhren in mehrere gleichstrommäßig voneinander getrennte Teilabschnitte aufzuteilen, und es ist auch bekannt, diesen Teilabschnitten der Verzögerungsleitung eine verschiedene Dimensionierung oder ein verschiedenes Gleichstrompotential gegenüber der Kathode zu erteilen und gegebenenfalls die einzelnen Teilabschnitte der Verzögerungsleitung derart anzuordnen, daß zwischen einzelnen von ihnen ein von Hochfrequenzfeldern nahezu oder völlig freier Laufraum für die Elektronen besteht.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Frequenz- und Phasenmodulation mit einer durch Rückkopplung zur Schwingung angeregten Wanderfeldröhre, welche mindestens zwei in Strahlrichtung hintereinander angeordnete Verzögerungsleitungen enthält, die durch einen Triftraum voneinander getrennt werden, der durch eine Elektrode gebildet wird. Erfindungsgemäß weist mindestens eine der Verzögerungsleitungen in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine erhebliche Dispersion auf, und es wird das Potential der Triftraumelektrode gegenüber der Kathode im Takte der Modulationsfrequenz in einem dem gewünschten Frequenz- bzw. Phasenhub entsprechenden Ausmaß verändert.

Es sind bereits Einrichtungen zur Frequenzmodulation mittels einer Wanderfeldröhre bekannt. Bei diesen bekannten Einrichtungen tritt der Nachteil auf, daß bei starken Amplitudenvariationen der Gleichlauf gestört wird. Außerdem besteht die Gefahr des Überspringens.

Ferner ist es beim Klystron bekannt, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hohlraumresonatoren eine den Laufraum umgebende Elektrode vorzusehen, welcher die Modulationsspannung zugeführt wird.
Die Vorteile der Einrichtung zur Frequenz- und Phasenmodulation mit einer durch Rückkopplung zur Schwingung angeregten Wanderfeldröhre werden dagegen erst wirksam, wenn nicht nur das Potential der Triftraumelektrode gegenüber der Kathode im Takte der Modulationsfrequenz in einem dem gewünschten Frequenz- bzw. Phasenhub entsprechenden Ausmaß verändert wird, sondern darüber hinaus mindestens eine der Verzögerungsleitungen in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine erhebliche 55. Dispersion aufweist.

Die Wirkungsweise der Einrichtung zur Frequenz- und Phasenmodulation nach der Erfindung ist folgende:

Die bei einer Wanderfeldröhre mit innerer oder äußerer Rückkopplung sich einstellende Frequenz ist dadurch definiert, daß die Laufzeit T der Schwingung vom Eingang der Wanderfeldröhre über Verzögerungsleitung und Elektronenstrahl zum Ausgang der Wanderfeldröhre und von diesem über den Rückkopplungsweg zurück zum Eingang der Wanderfeldröhre ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingungsdauer betragen muß. Für die sich einstellende Schwingung gilt also die Beziehung:

f = Ι/Γ = Ν/τ. (i)

N ist eine ganze Zahl und kennzeichnet den sich einstellenden Schwingungsbereich. Die Laufzeit τ einer Schwingung in einer Wanderfeldröhre läßt sich verändern, indem die Elektronengeschwindigkeit variiert wird, da die Phasengeschwindigkeit einer Welle auf der Verzögerungsleitung bei Anwesenheit eines Elektronenstrahles maßgeblich durch die Elektronengeschwindigkeit bestimmt ist. Bei üblichen Wanderfeldröhren führt dieses Verfahren aber schon sehr schnell zu einer Grenze. Mit zunehmender Abweichung der Elektronengeschwindigkeit von der Phasengeschwindigkeit der Welle bei Abwesenheit der Elektronen tritt eine sehr starke Verminderung der Wechselwirkung zwischen Strahl und Verzögerungsleitung ein, d. h., die betreffende Schwingung erlischt oder springt in eine Schwingung mit anderer Ordnungszahl über.

Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Wanderfeldröhre dadurch vermieden, daß die Änderung der Phasenlaufzeit τ in einem hochfrequenzfeldfreien Laufraum erfolgt, in welchem die Schwingung sich nur in Gestalt einer Dichte- und Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahles, und zwar mit der mittleren Geschwindigkeit der Elektronen ausbreitet. Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen im Laufraum kann in relativ weiten Grenzen verändert werden, ohne daß sich der Modulationszustand des Elektronenstrahls in entscheidender Weise verändert. Durch diese Maßnahme allein läßt sich bereits ein wesentlich größerer Frequenzhub als bei gewöhnlichen Wanderfeldröhren erreichen. Um das Überspringen in andere Schwingbereiche zu vermeiden, weist mindestens eine der an der Schwingungserzeugung beteiligten Verzögerungsleitungen in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine erhebliche Dispersion auf. Dieser Verzögerungsleitung kann zudem stets eine solche 10g Spannung gegenüber der Kathode erteilt werden, daß die Wechselwirkung zwischen der Verzögerungsleitung und dem Elektronenstrahl für die sich einstellende gewünschte Schwingung stets hinreichend größer ist als für die Schwingungen benachbarter, nicht gewünschter Ordnungszahlen. Bei normaler Dispersion, d. h. wenn die Phasengeschwindigkeit einer Welle auf einer Verzögerungsleitung ohne Elektronenstrahl mit zunehmender Wellenlänge größer wird, ist zur Erreichung dieses Zieles nur erforderlich, einen kleinen Bruchteil der Modulationsspannung dem mittleren Gleichstrompotential dieser Verzögerungsleitung gegenphasig zur Modulationselektrode zu überlagern.

Durch die bereits beschriebenen Maßnahmen ist ein relativ großer Frequenzhub bei nur verhältnismäßig kleinen Schwankungen der Schwingungsamplitude innerhalb des Frequenzhubes gewährleistet. Eine weitere Verminderung der Schwankungen der Schwingungsamplitude läßt sich bei der Anordnung nach der Erfindung dadurch erreichen, daß die Auskopplung der Nutz-Hochfrequenzleistung überwiegend elek-

tronisch erfolgt, derart, daß der dichte- und geschwindigkeitsmodulierte Elektronenstrahl eine oder mehrere weitere Verzögerungsleitungen durchläuft, aus denen die Nutzleistung in bekannter Weise ausgekoppelt wird. Es ist dann beispielsweise möglich, die der Leistungsauskopplung dienende Verzögerungsleitung auf einem Arbeitspunkt zu betreiben, der von dem der größten Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl entsprechenden Arbeitspunkt erheblich abweicht. In

ίο einem solchen Arbeitspunkt ist die ausgekoppelte Leistung von der an diese Verzögerungsleitung angelegten Spannung annähernd linear abhängig, so daß mit Hilfe einer aus der Modulationsspannung abgeleiteten Spannung, die dem Potential der der Leistungsauskopplung dienenden Verzögerungsleitung in richtiger Phase überlagert wird, die proportional zur Modulationsspannung auftretenden Schwankungen der Amplitude auskompensiert werden können. Unter Umständen genügt es auch, der der Leistungsauskopplung dienenden Verzögerungsleitung eine erhebliche Dispersion zu geben und sie dafür bei einer konstanten Gleichspannung zu betreiben, die so gewählt ist, daß diejenige Frequenz, deren Schwingungsamplitude kleiner ist, in stärkerem Maße ausgekoppelt

»5 wird und daß diejenige Frequenz, deren Schwingungsamplitude größer ist, schwächer ausgekoppelt wird. Eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit der vorstehend beschriebenen Oszillatoranordnung kann dadurch erhalten werden, daß in die Rückkopplungsleitung, welche den Ausgang der in Strahlrichtung hinter der Modulationselektrode liegenden Verzögerungsleitung mit dem Eingang der vor der Modulationselektrode liegenden Verzögerungsleitung verbindet, eine Wanderfeldröhre herkömmlicher Bauart eingeschaltet wird. Dabei erweist es sich aus den schon erwähnten Erwägungen vorteilhaft, wenn die Verzögerungsleitung der Wanderfeldverstärkerröhre in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine erhebliche Dispersion aufweist.

Außerdem ist es günstig, der Verzögerungsleitung der in die Rückkopplungsleitung eingeschalteten Wanderfeldröhre einen Teil der Modulationsspannung vorzugsweise gegenphasig zuzuführen.

Ein weiterer Vorteil kann sich ergeben, wenn die in der Rückkopplungsleitung eingeschaltete Wanderfeldverstärkerröhre herkömmlicher Bauart eine Sättigungsleistung hat, die kleiner, vorzugsweise erheblich kleiner ist als die der erfindungsgemäßen Wanderfeldröhre. Auf diese Weise ist es möglich, die Schwingungsamplitude, z. B. durch Wahl der geeigneten Stromstärke in der Wanderfeldverstärkerröhre, auf denjenigen Wert einzustellen, bei welchem die erfindungsgemäße Röhre am günstigsten arbeitet.
Während die bisher beschriebenen Maßnahmen bei allen Arten von Wanderfeldröhren mit mindestens zwei in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Verzögerungsleitungen, die durch einen bei Abwesenheit des Elektronenstrahls praktisch hochfrequenzfeldfreien Elektronenlaufraum getrennt sind, in Betracht kommen, hat es sich bei Elektronenwellenröhren als zweckmäßig erwiesen, zusätzlich die Geschwindigkeitsdifferenz der beiden Elektronenstrahlen im Rhythmus der Modulationsfrequenz zu verändern.

Eine Ausführungsform einer Anordnung mit einer Wanderfeldröhre nach der Erfindung zur Erzeugung von frequenzmodulierten Schwingungen mit großem Frequenzhub ist in schematischer Weise in der Abbildung dargestellt. Die Wanderfeldröhre 1 enthält die vom Elektronenstrahl 2 durchsetzten drei in Strahlrichtung hintereinander angeordneten Verzögerungsleitungen 3,4 und 5, die in diesem Ausführungsbeispiel, abgesehen von ihrer Länge, gleich dimensioniert sind. Zwischen den beiden in Strahlrichtung vorderen Verzögerungsleitungen 3 und 4 befindet sich die Modulationselektrode 6, die einen nahezu oder völlig hochfrequenzfeldfreien Laufraum für den Elektronenstrahl 2 bildet. Gleichstrommäßig befinden sich die beiden vorderen Verzögerungsleitungen 3 und 4 und die Modulationselektrode 6 gegenüber der Kathode 7 auf der gleichen Spannung, welche von der Spannungsquelle 8 geliefert wird und annähernd demjenigen Arbeitspunkt der Verzögerungsleitungen 3 und 4 entspricht, für welchen für die mittlere Wellenlänge die stärkste Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl eintritt. Dem Gleichstrompotential der Modulationselektrode ist die Modulationsspannung bzw. Wobbelspannung überlagert, die durch einen Modulationstransformator 9 geliefert wird. Den Verzögerungsleitungen 3 und 4 wird ebenfalls über den Transformator 9 ein kleiner Bruchteil der Modulationsspannung gegenphasig zugeführt. In die Rückkopplungsleitung 10, 11 ist eine Wanderfeldröhre 12 üblicher Bauart eingeschaltet, in welcher ein von der Kathode 13 gelieferter Elektronenstrahl 14 eine Verzögerungsleitung 15 durchläuft und auf den Kollektor 16 auftrifft. Die Verzögerungsleitung 15 hat in diesem Ausführungsbeispiel, ausgenommen ihre Länge, die gleiche Dimensionierung wie die Verzögerungsleitungen 3, 4 und 5. Die Betriebsspannung der Wanderfeldverstärkerröhre 12 wird von einer Gleichspannungsquelle 17 geliefert, es ist aber auch möglich, hierfür die Spannungsquelle 8 zu verwenden. Die Betriebsparameter der Wanderfeldverstärkerröhre 12, insbesondere ihre Strahlstromstärke, sind so gewählt, daß ihre Sättigungsleistung kleiner ist als die Sättigungsleistung der Röhre 1. Die Verzögerungsleitung 15 der Röhre 12 erhält über den Modulationstransformator 9 die gleiche Korrektur-(Wechsel-) Spannung wie die Verzögerungsleitungen 3 und 4.

Zur Auskopplung der HF-Nutzleistung aus der Röhre 1 dient eine Verzögerungsleitung 5, die der in den Verzögerungsleitungen 3 und 4 und in der Modulationselektrode 6 dichte- und geschwindigkeitsmodulierte Elektronenstrahl 2 durchläuft, bevor er auf den Kollektor 18 auf trifft. Die Verzögerungsleitung 5 befindet sich auf einem Arbeitspunkt, der von dem der größten Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl entsprechenden Arbeitspunkt erheblich abweicht. Das wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Zusatzgleichspannung erreicht, die von der Gleich- iao Spannungsquelle 19 geliefert wird. Außerdem wird zum Ausgleich der Schwankungen der Schwingungsamplitude der Verzögerungsleitung 5 über den Transformator 9 eine Korrekturspannung zugeführt. Die HF-Nutzleistung wird am Ausgang der Verzögerungsleitung 5 in bekannter Weise ausgekoppelt. Die jeweils

frei bleibenden Enden der Verzögerungsleitungen 3, 4 und 5 sind reflexionsfrei abgeschlossen, hier durch die drei an die Verzögerungsleitungen reflexionsfrei angepaßten Abschlußwiderstände 20, 21 und 22.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Frequenz- und Phasenmodulation mit einer durch Rückkopplung zur Schwingung angeregten Wanderfeldröhre, welche mindestens zwei in Strahlrichtung hintereinander angeordnete Verzögerungsleitungen enthält, die durch einenTriftraum voneinander getrenntwerden, der durch eine Elektrode gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Verzögerungsleitungen in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine erhebliche Dispersion aufweist, und daß das Potential der Triftraumelektrode gegenüber der Kathode im Takte der Modulationsfrequenz in einem dem gewünschten Frequenz- bzw. Phasenhub entsprechenden Ausmaß verändert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung der Hochfrequenzleistung überwiegend elektronisch erfolgt, derart, daß der dichte- und geschwindigkeitsmodulierte Elektronenstrahl eine oder mehrere weitere Verzögerungsleitungen durchläuft, aus denen die Leistung ausgekoppelt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßmindestens eine der zur Leistungsauskopplung aus demElektronenstrahl verwendeten Verzögerungsleitungen eine erhebliche Dispersion aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise kleiner Teil der Modulationsspannung einzelnen oder allen Verzögerungsleitungen gleich- oder gegenphasig zugeführt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Verzögerungsleitungen auf einem Arbeitspunkt betrieben wird, der von dem der größten Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl entsprechenden Arbeitspunkt erheblich abweicht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rückkopplungsleitung, welche den Ausgang der in Strahlrichtung hinter der Modulationselektrode liegenden Verzögerungsleitung mit dem Eingang der vor der Modulationselektrode liegenden Verzögerungsleitung verbindet, eine Wanderfeldverstärkerröhre herkömmlicher Bauart eingeschaltet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsleitung der Wanderfeldverstärkerröhre ein Teil der Modulationsspannung vorzugsweise gegenphasig zugeführt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung der Wanderfeldverstärkerröhre in dem in Betracht kommenden Frequenzbereich eine erhebliche Dispersion aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderfeldverstärkerröhre eine Sättigungsleistung hat, die vorzugsweise erheblich kleiner ist als die der Röhre nach Anspruch 1 bis 5.

10. Einrichtung mit einer Elektronenwellenröhre nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsdifferenz der beiden Elektronenstrahlen im Rhythmus der Modulationsfrequenz verändert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 808131, 853 on, 888420;

schweizerische Patentschrift Nr. 222 397; britische Patentschriften Nr. 530 869, 675 056;

französische Patentschriften Nr. 951 092, 951 098, 956410, 970096;

Kleen, Mikrowellentechnik, Bd. I, 1952, S. 132; Proc. of the IRE, 1950, S. 1033; 1952, Jan., S. 15.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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