DE974489C - Vorrichtung zum Verstaerken von elektromagnetischen Zentimeterwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Verstärken elektromagnetischer Zentimeterwellen, bei denen die Verstärkung auf der Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einem der Welle zugeordneten elektrischen Wanderfeld beruht. Zur Verwirklichung einer solchen Vorrichtung bedient sich die Erfindung einer Laufzeitröhre mit Mitteln für die Aussendung eines Elektronenstrahls und mit Mitteln für die Führung dieses Strahls durch ein elektrisches Wanderfeld, welches von einer Hochfrequenzwelle ausgeht, die längs eines Übertragungsweges wandert; der Strahl verläuft dabei koaxial zum Übertragungsweg, so daß durch Energieübertragung von der Welle zum Strahl und von dem Strahl zur Welle eine Verstärkung der Welle stattfinden kann. Dabei ist der Übertragungsweg so gestaltet, daß ein gewünschtes räumliches Geschwindigkeitsverhältnis zwischen der Welle und dem Strahl zustande kommt. Die Erfindung geht insbesondere von bekannten Anordnungen aus, bei welchen ein den Elektronenstrahl umgebender Verzögerungsweg Verwendung findet, welcher aus einzelnen, miteinander gekoppelten, in der Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls aneinandergereihten leitenden Gliedern besteht. Bei

dieser bekannten Anordnung sind die gekoppelten leitenden Glieder in zwei Gruppen aufgeteilt, die so schwach wie möglich miteinander gekoppelt sind.

Diese Kopplungsstellen wirken als Diskontinuitäten, die zu störenden Reflexionen führen.

Bei ähnlichen Anordnungen ist es auch schon bekanntgeworden, den Verzögerungsweg zwecks Vermeidung von Reflexionen an beiden Enden abzuschließen, um das Auftreten stehender Wellen zu ίο verhindern.

Von dieser letzteren Maßnahme macht die Erfindung bei der erstgenannten Anordnung in Abweichung davon Gebrauch und empfiehlt darüber hinaus, den Verzögerungsweg derart auszubilden, daß er als von inneren reflektierenden Diskontinuitäten freies Bandfilter wirkt. Damit wird erreicht, daß die Röhre in einem erheblich breiteren Band arbeiten kann als die bekannte Anordnung.

Für den erfindungsgemäßen leitenden Aufbau des Verzögerungsweges (Wellenleiter) stehen mehrere Ausführungsmöglichkeiten zur Verfügung, für welche nachstehend einige Beispiele in Verbindung mit der Zeichnung erläutert werden sollen.

Fig. ι veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Verzögerungsweg der Welle aus einem metallischen Hohlzylinder besteht, der Querwände enthält, die in festgelegten Abständen den Querschnitt des Hohlzylinders einengen;

Fig. 2 veranschaulicht eine Abwandlung von Fig. 1, bei der die Mittelöffnungen in den Querwänden mit kleinen Zylindern ausgestattet sind, die sich in Längsrichtung des Leiters erstrecken, um dem Kreis die Merkmale eines Filters zu geben;

Fig. 2 A und 2 B veranschaulichen abgewandelte Formen für die Öffnungen, wie sie bei den Querwänden nach Fig. 1 oder 2 benutzt werden mögen;

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung von Fig. 1, bei der die Querwände auf leitende Streifen oder Ständer reduziert sind, durch die die Zylinder nach Fig. 2 getragen werden;

Fig. 3 A zeigt eine Abwandlung von Fig. 3, bei der die Zylinder mit Zwischenverbindungen versehen sind, um die Filtercharakteristik des Kreises abzuwandern und Mittel zur Einstellung der Charakteristik zu schaffen;

Fig. 3 B zeigt einen anderen Weg, um die zusätzlichen Zwischenverbindungen nach Fig. 3A herzustellen;

Fig. 4 und 5 sind erläuternde zeichnerische Darstellungen zu den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3. Die im Schnitt dargestellte Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 ist ein Ultrakurzwellenverstärker, der so ausgebildet ist, daß er in ein koaxiales Übertragungssystem eingeschaltet werden kann. Die koaxiale Leitung ist unterbrochen; die Leiter 53, 54 sind an den Eingang der Anordnung angeschlossen; in ähnlicher Weise ist der Ausgang der Anordnung mit dem mit 55 und 56 bezeichneten Ende der Leitung verbunden. Die Anordnung enthält eine evakuierte Hülle, in der eine Elektronen aussendende Kathode 6 untergebracht ist, die nach der Darstellung indirekt geheizt wird. In der Hülle befinden sich außerdem eine die Elektronen bündelnde Elektrode 7, eine Beschleunigungselektrode 52 und eine Sammelelektrode 9. Die Kathode wird aus einer Spannungsquelle 16 gespeist, und die bündelnde Elektrode 7 erhält ihre Vorspannung aus einer Spannungsquelle 17. Die Elektroden 52 und 9 sind gegenüber der Kathode 6 positiv vorgespannt, und zwar durch Verbindungen zur Spannungsquelle 18. Infolgedessen wird von der Kathode ein Elektronenstrom mit einer geeigneten Geschwindigkeit in Richtung zu dem Sammler 9 geschleudert.

Die evakuierte Hülle setzt sich aus einem Glasteil 51 und einem Wellenleiter 49 in Form eines metallischen Hohlzylinders 50, der leitende Querwände besitzt und den Verzögerungsweg des Verstärkers bildet, zusammen. Der die Hülle umfassende Schirm 37 besteht aus weichem Eisen und schützt die Anordnung gegen den Einfluß äußerer magnetischer Felder. Der Schirm kann durch eine Magnetspule ergänzt oder ersetzt werden. Die Trennoder Bremswände 58 des Zylinders 50 wirken als Umwege, die die Geschwindigkeit der durch den Wellenleiter hindurchgehenden Wellen herabsetzen, so daß die Axialgeschwindigkeit der Welle und die Geschwindigkeit des Elektronenstromes längs der Achse etwa gleich groß sind. Der Metallzylinder 50 des Wellenleiters 49 ist mit dem Glasteil 51 der Hülle durch Einschmelzung verbunden. An der Einführungsstelle der Leiter 53 und 54 bzw. der Leiter 55 und 56 sind isolierende Perlen 57 angebracht; auch dort, wo die Zuleitung zu dem Sammler 9 in den Wellenleiter eingeführt ist, ist eine Perle 57 angebracht. Die Perlen gewährleisten die Abdichtung der evakuierten Hülle. Die inneren Leiter 53 und 55 endigen in den dargestellten Schleifen, welche die Ankopplungsmittel bilden und dafür sorgen, daß Hochfrequenzenergie zu dem Wellenleiter und von diesem weg übertragen wird. Es können natürlich auch andere Arten von äußeren Zuleitungen zu dem Wellenleiterteil der Anordnung benutzt werden und ebenso auch andere geeignete Kopplungsmittel.

Die Bremswände oder Querwände 58 bestehen aus leitendem Material und stehen in elektrischer Verbindung mit dem Metallzylinder 50 des Wellenleiters, so daß jede Bremswand den Wellenleiter quer abschließt, bis auf die darin befindlichen Öffnungen, wie beispielsweise die Öffnungen 59 und 60. Die Öffnungen 59 sind längs der Achse des Wellenleiters angeordnet. Sie ermöglichen den Durchgang der Hochfrequenzwellen durch den Wellenleiter sowie das Durchtreten des Elektronenstromes längs der Achse. Dieser soll mit dem axialen elektrischen Feld zusammenarbeiten, das mit der wandernden Welle verbunden ist. Die Öffnungen 60, die außerhalb des Mittelpunktes, d. h. außerhalb der Achse des Wellenleiters, angeordnet sind, können vorhanden sein, sie können aber auch wegbleiben. Die nur mit Mittelöffnungen 59 versehenen Querwände dienen dazu, die Axialgeschwindigkeit der Hochfrequenzwelle durch den Wellenleiter bis auf diejenige des Elektronenstromes in der gleichen Richtung herabsetzen, so daß die bereits erwähnte und erstrebte wechselseitige Beeinflussung stattfinden kann. Die Öffnungen 60 können vorgesehen sein, um eine zusätzliche, unmittelbare Kopplung zwischen den beiden

Seiten jeder Trennwand zu schaffen, dem Wellenleiter eine gewünschte Charakteristik eines Bandfilters zu geben und die Verstärkung eines breiten Frequenzbandes zu erleichtern. Um die gewünschte Hochfrequenzdämpfung zu schaffen, ist Verlustmaterial 61 im Inneren des Wellenleiters angeordnet. Dieses Material läßt sich längs des Wellenleiters so verteilen, wie es für die geeignete Aufteilung des Übertragungsverlustes notwendig ist. Der gewünschte Verlust kann

ίο auch mit Hilfe anderer Mittel erzielt werden, wie beispielsweise durch die Verwendung von Material mit hoher Verlustwirkung für den Aufbau des Wellenleiters oder dadurch, daß Teile desselben mit Material von hoher Verlust wirkung überzogen werden.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. i, und zwar sind die mittleren Öffnungen in den Trennwänden und den Enden des Wellenleiters in der dargestellten Weise mit Stücken von leitenden Hohlzylindern oder Rohren 65 und 66 ausgestattet.

Diese Zylinder dienen dazu, die Räume zwischen den Trennwänden gegeneinander abzutrennen, so daß der Wellenleiter eine Aufeinanderfolge von toroidförmigen Resonatoren darstellt, die mit ihren Enden zueinander angeordnet und durch die Öffnungen zwischen ihnen miteinander gekoppelt sind. Die Charakteristik des Übertragungsweges durch den Wellenleiter ist auch hier die eines Bandfilters. Die Geschwindigkeit der Hochfrequenzwelle längs der Achse der Zylinder 65 ist verringert, um sich derjenigen der hindurchgeschleuderten Elektronen anzunähern. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird dadurch auch hier eine Verstärkung der Welle erzielt.

Fig. 2 A und 2 B sind Stirnansichten einer der Trennwände 58 der Fig. 2. Fig. 2A läßt deutlicher die

Form der Öffnungen 60 erkennen. Fig. 2 B zeigt bei qo, 91 und 92 Öffnungen, die wahlweise an Stelle der Öffnungen 60 benutzt werden können, wenn es erwünscht ist, die Filtercharakteristik durch Änderung der Resonanzcharakteristik der die einzelnen

Filterabschnitte miteinander koppelnden Öffnungen zu beeinflussen, wie später erläutert werden wird.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Fig. 2, bei der die Zylinder 65 anstatt durch die Trennwände durch leitende Stäbe 68 getragen werden. Dieser Fall kann

so aufgefaßt werden, daß die Öffnungen 60 der Fig. 2 so vergrößert worden sind, daß die Trennwände 58 der Fig. 2 zusammengeschrumpft sind, bis sie die Form der stabförmigen Träger 68 angenommen haben. Ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 2 ist auch hier die Charakteristik der Hochfrequenzübertragung diejenige eines Bandfilters. Die Anschlüsse für die koaxialen Zuleitungen zum Eingang und zum Ausgang des Wellenleiters werden durch Anzapfen der zentralen koaxialen Leiter an geeigneter Stelle der an den Enden befindlichen Tragstäbe hergestellt. Es wird auch hier Verlustmaterial 69 eingefügt, so wie es notwendig ist, um eine gewünschte Verteilung der Dämpfung innerhalb des Übertragungsweges zu erzielen. Der Elektronenstrom längs der Achse der Anordnung wird wie bei den vorher gezeigten Ausführungsformen erzeugt. Auch die Verstärkung einer durch die Anordnung hindurchgehenden Hochfrequenzwelle wird in der gleichen Weise erzielt, indem man die axiale Geschwindigkeit der Welle und die des Elektronenstromes einander gleichmacht.

Fig. 3 A zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 3, um zu erläutern, wie Leiter 70, die die Zylinder 65 und 66 verbinden, benutzt werden können, um induktive Elemente hinzuzufügen und die Filtercharakteristik des Übertragungsweges abzuwandeln. Die Charakteristik kann gewandelt werden, indem man die Längen und andere wesentliche Merkmale der Leiter 70 ändert, um dadurch die durch diese eingeführte Induktivität zu ändern.

Fig. 3 B zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 3 A. Hier nehmen die Leiter 95, die die benachbarten Zylinder miteinander verbinden, die Stelle der Leiter 70 in Fig. 3 A ein und schaffen dadurch ähnliche Vorteile.

Bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist dafür Sorge zu tragen, daß der Verzögerungsweg eingangs- und ausgangsseitig möglichst reflexionsfrei abgeschlossen ist und daß er, bei Verwendung sich wiederholender Glieder, zwischen diesen Abschlüssen derart ausgebildet ist, daß er als von inneren reflektierenden Diskontinuitäten freies Bandfilter wirkt.

Es ist bereits gezeigt worden, daß beim Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen nach der Erfindung die Geschwindigkeit der Hochfrequenzwelle und die des Elektronenstromes längs des gemeinsamen Weges im wesentlichen gleich sein sollen. Wenn die zu verstärkende Energie sich über einen breiten Frequenzbereich erstreckt, so ist es wünschenswert, daß die genannte Beziehung über die ganze Bandbreite hinweg gilt. Das bereitet keine Schwierigkeiten, wenn der Verzögerungsweg einen gleichförmigen Leiter darstellt. Wenn indessen eine Anordnung gemäß der Erfindung, wie beispielsweise die nach Fig. 2 oder 3, die Charakteristik eines Bandfilters besitzen soll, so sind besondere Vorkehrungen notwendig, um der gestellten Bedingung soweit wie irgendmöglich nahezukommen. Das gilt insbesondere dann, wenn das benutzte Frequenzband einen nennenswerten Teil des Durchlaßbereiches des Filters darstellt, und ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Phasenwechsel zwischen Abschnitten des Filters über den Durchlaßbereich hinweg das Bestreben haben, die Phasenbeziehung zwischen den Elektronen und der elektrischen Welle längs ihres Weges durch die Anordnung zu ändern.

Es sei zunächst der bekannte Fall einer gleichförmigen Übertragungsleitung betrachtet, längs deren eine Welle mit der Geschwindigkeit ν wandert. Der Phasenunterschied oder Phasenwinkel zwischen zwei beliebigen Punkten längs der Leitung sei in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz zeichnerisch dargestellt, wie es Fig. 4 zeigt. Hierin ist
Φ = der Phasenwinkel oder die Phasendifferenz,

j. „ . - ^r ω · L

ω = die Kreisfrequenz Φ = ,

L = der Abstand längs des Leiters zwischen den beiden Punkten und

ν — die Geschwindigkeit der Welle längs des Leiters. Damit nun die Elektronen »Schritt halten«, d. h. bei allen Frequenzen mit der gleichen Geschwindigkeit

wandern wie die "Welle, ist es nur notwendig, dafür zu sorgen, daß die Geschwindigkeit der Elektronen U₀ die gleiche ist wie die Geschwindigkeit der Welle υ

U_n = O .

Da die Kurve in Fig. 4 eine gerade Linie ist und unter der Voraussetzung, daß U₀ = υ ist, ergibt sich

ω · L , . , gleich

daß die Phasendifferenz der Elektronen

«0

ist der Phasendifferenz

co ■ L

für jede Weglänge

oder Frequenz.

Wenn gemäß der Erfindung an Stelle eines gleichförmigen Leiters ein Bandfilter vorgesehen ist, so liegt der Fall etwas anders. Durchwandert man den Frequenzbereich, so ändert sich die Phasendifferenz zwischen den Abschnitten des Filters um einen bestimmten Betrag. Bei vielen Filtern dreht sich die Phase innerhalb des Durchlaßbereiches um i8o°,

d. h. um den Wert π. Wenn die Phasendifferenz in Abhängigkeit von der Frequenz für solch ein Filter gezeichnet wird, so entstehen Kurven, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind. Hierin bedeutet

Φ = den Phasenwinkel oder Phasenunterschied, co. = die Kreisfrequenz,

O)₀ = die Kreisfrequenz in der Mitte des Durchlaßbereichs,

ca_a = die Kreisfrequenz bei der unteren Grenzfrequenz des Filters,

b = die Kreisfrequenz bei der oberen Grenzfrequenz des Filters.

Es sind drei Kurven a, h und c gezeigt, bei denen die Phasenänderung Φ zwischen den Filterabschnitten zwischen 0 und π, 2π und 3π sowie zwischen 4π und ζπ über die Bandbreite ω_α, bis co_b hegt. Die gleiche Art derArbeitsweiseerhältman,d. h. die Phasenänderungen von 0 bis π, von 271 bis j,n, von /\.π bis 5π oder von ο + 2ηπ bis π + 2ηπ, worin η eine ganze Zahl ist, weil bei einer vorgegebenen Frequenz eine Phasenänderung um 2ηπ im Endergebnis keine Änderung des Phasenwinkels bedeutet. Infolgedessen sind für den Zweck dieser Betrachtung die Kurven a, b und c alle gleich gute Darstellungen der Phasencharakteristik des Filters.

Um die Geschwindigkeit der Welle festzulegen, möge die Phasendifferenz zwischen den Abschnitten bei der Frequenz co₀ in der Mitte des Bandes den Wert φ_η = φ₀ 4- 2 η π darstellen. So ist Φ_ο + 2 η π ein allgemeiner Ausdruck für die Phasenänderung in einem Abschnitt des Filters bei der Frequenz in der Mitte des Bandes, wobei η irgendeine ganze Zahl bedeuten möge. Dann muß die Geschwindigkeit ν der Welle so groß sein, daß folgende Bedingung erfüllt ist:

= Φ₀+ 2 «π,

ν =

ω₀Ί

Φ_ο + 2 η π

In letzterer Gleichung bedeutet I den Abstand zwischen den Abschnitten des Filters, der in den Fig. 2 und 3 den Abstand zwischen entsprechenden Punkten in zwischen den Zylindern 65 aufeinanderfolgenden Räumen bedeutet.

Unter mehreren Geschwindigkeiten kann irgendeine ausgewählt werden, indem man verschiedene Werte von η annimmt. Wenn den Elektronen eine Geschwindigkeit gegeben wird, die

Φ₀ + 2ηπ

dann ist die Phasendifferenz der Elektronen gleich der Phasendifferenz des Kreises bei der Frequenz co₀ in der Mitte des Durchlaßbereiches. Um nun diese Phasenunterschiede über ein Frequenzband, das die mittlere Frequenz einschließt, einander gleichzumachen, muß der Grad der Änderung der beiden innerhalb dieses Bereiches übereinstimmend gemacht werden.

Die Phasenänderung der Elektronen über eine Strecke I bei irgendeiner Frequenz U₀, wie sie nach obenstehendem ausgewählt wurde, ist

Φ =

ω - L co-L (Φ_ο + 2 η π)

CO₀-L

CO_n

Der Grad der Änderung der Elektronenphase mit der Frequenz ist

δ Φ Φ₀ + 2ηπ

δ ω

CO_n

Der Grad der Änderung der Kreisphase mit der Frequenz, d. h. ^—^- muß dann im wesentlichen

<5 ω

gleich dem Grad der Änderung der Elektronenphase mit der Frequenz gemacht werden, d. h., es gilt folgende Forderung:

δ Φ · Kreis Φ_ο + 2 η π

δ ω

CO_n

Es gibt nun zwei Wege, um diese Bedingung zu erfüllen: erstens, indem man η ändert, und zweitens, ·■> δ Φ ■ Kreis .. , ,

indem man ₅ ändert.

0(0

Der Grad der Änderung der Kreisphase mit der Frequenz -= kann beeinflußt werden, indem

man die in FiIt er anordnungen bekannten w-Filterglieder verwendet. Wenn m kleiner gemacht wird, so

wird 5—^- in der Mitte des Bandes kleiner. Wenn

δω

man also m in geeigneter Weise auswählt, so kann der vorstehend angegebenen Bedingung genügt werden.

In dem Kreis nach Fig. 2 kann m dadurch beeinflußt werden, daß in den Trennwänden 58 nach Fig. 2 B eine oder mehrere Resonanzöffnungen, wie z. B. 90, 91 oder 92, zur Kopplung zwischen den Resonatoren oder Filterabschnitten benutzt werden, m wird dann dadurch beeinflußt, daß die Resonanzfrequenzen und das Verhältnis von Induktivität zu Kapazität der Öffnungen passend gewählt werden.

In der Anordnung nach Fig. 3 mit der Abwandlung nach Fig. 3 A oder 3 B kann m durch Anpassen der Länge, Höhe und Dicke des zusätzlichen Leiters 70

bzw. 95, der die Abschnitte verbindet, beeinflußt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verstärken von elektromagnetischen Zentimeterwellen durch Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und

ι ο einem der Welle zugeordneten elektrischen Wanderfeld unter Verwendung eines den Elektronenstrahl umgebenden, zwecks Vermeidung von Reflexionen an beiden Enden abgeschlossenen Verzögerungsweges, welcher aus einzelnen, miteinder gekoppelten, in der Fortpflanzungsrichtung des Elektronenstrahls aneindergereihten, sich wiederholenden leitenden Gliedern besteht, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Verzögerungsweges, daß er als von inneren reflektierenden Diskontinuitäten freies Bandfilter wirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsweg aus einem Wellenleiter mit äußerem leitendem Zylinder besteht, welcher mittels leitender Querwände in

as Kammern aufgeteilt ist, die in Richtung der Zylinderachse Öffnungen für den Durchtritt des Elektronenstrahls besitzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Querwand zwecks Kopplung benachbarter Abschnitte des Verzögerungsweges eine zusätzliche Öffnung aufweist, welche von der Öffnung für den Durchgang des Elektronenstrahls abgerückt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Querwand einen die Öffnung für den Elektronenstrahl durchsetzenden leitenden Zylinder aufweist, so daß die von den Wänden begrenzten Räume des Wellenleiters eine Reihe von ringförmigen Hohlraumresonatoren bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsweg aus einem Wellenleiter mit äußerem leitendem Zylinder besteht, der an seinem Eingangs- und Ausgangsende je einen in der Achsrichtung verlaufenden leitenden Hohlzylinder kleineren Durchmessers aufweist und innerhalb dessen in Achsrichtung und in bestimmten Abständen röhrenförmige Koppelelektroden angeordnet sind, die über Verbindungsstäbe an den äußeren Zylinder angeschlossen sind und vom Elektronenstrahl durchflossen werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Elektronenstrahlquelle und der Verzögerungsweg in einer evakuierten Hülle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Hülle den Wellenleiter bildet, welcher die Querwände bzw. die in Abstand angeordneten Stäbe enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 064 469, 2 300 052, 2367295;

britische Patentschrift Nr. 488 094;
australische Patentschrift Nr. in 937;
schweizerische Patentschriften Nr. 201 773, 224 052.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 682/17 1.61