EP0069426B1 - Mikrowellen-Verstärkerröhre mit zwei Ringresonatoren - Google Patents

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EP0069426B1
EP0069426B1 EP82200811A EP82200811A EP0069426B1 EP 0069426 B1 EP0069426 B1 EP 0069426B1 EP 82200811 A EP82200811 A EP 82200811A EP 82200811 A EP82200811 A EP 82200811A EP 0069426 B1 EP0069426 B1 EP 0069426B1
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EP
European Patent Office
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ring
resonator
amplifier tube
electron beam
ring resonator
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EP82200811A
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EP0069426A3 (en
EP0069426A2 (de
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Heinz Dipl.-Ing. Bohlen
Enzio Dipl.-Ing. Demmel
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication of EP0069426A3 publication Critical patent/EP0069426A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
    • H01J25/20—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator having special arrangements in the space between resonators, e.g. resistive-wall amplifier tube, space-charge amplifier tube, velocity-jump tube
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
    • H01J25/14—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator with tube-like electron stream coaxial with the axis of the resonators

Definitions

  • the invention relates to a microwave amplifier tube with two ring resonators, the first of which serves as a control resonator and with the aid of a cathode system connected to this resonator generates an electron beam rotating around the ring axis with the frequency of a control signal, in which the electron beam is accelerated by a direct voltage and enters the second ring resonator tuned to the same frequency, into which it influences a high-frequency electromagnetic field and to which it releases part of its energy.
  • a microwave amplifier tube of this type is known from DE-OS 2 947 264.
  • a cathode surface mounted in a ring resonator serves as a source for a radially emerging, rotating, spoke-shaped electron beam.
  • a prestressed grid at the exit gap of the resonator ensures that electrons only leave the control resonator at the respective location of the rotating maximum of the electric field strength. These electrons are then accelerated by a high electrostatic field and enter the exit ring resonator radially.
  • a microwave amplifier tube is already known from US Pat. No. 2,634,383, with two ring resonators, the first of which serves as a control resonator and with the aid of a cathode system connected to this resonator, which generates an annular electron beam which is generated by a DC voltage accelerates into the second ring resonator, which can be tuned to the same frequency, in which it influences a high-frequency electromagnetic field and to which a part of its energy is emitted, the ring resonators being arranged one above the other in the direction of the ring axis and the electron beam the first ring resonator and the second ring resonator passes parallel to the ring axis.
  • a circulating electron beam is not generated in this tube, it does not function like a "trirotron".
  • the invention has for its object to design a microwave amplifier tube of the type mentioned in such a way that the adjustment of the angular velocities of the RF phase of both resonators no longer causes difficulties due to the geometry of the tube and its maximum operating frequency is significantly increased.
  • the object is achieved according to the invention in that the ring resonators are arranged one above the other in the direction of the ring axis and in that the electron beam passes through the first ring resonator and the second ring resonator parallel to the ring axis.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that the alignment of the angular velocities of the RF phases of both resonators no longer presents any geometrically-related difficulties and that, since the cathode is no longer concentric in the control resonator, the upper frequency limit of the tube is raised significantly.
  • Another advantage is that conventional methods can be used to apply an axis-parallel magnetic field to focus the electron beam, so that electron beams with a high space charge (i.e. low voltage) can be used.
  • an efficiency in the amplification of RF signals (> 80%) can be achieved, which is significantly above the value that can be achieved with klystrons.
  • the tube consists of two ring resonators 1 and 2 lying one above the other at a distance from one another.
  • the ring resonators are connected to one another by insulating rings 9, so that an acceleration path 7 is formed between the ring resonators.
  • the first ring resonator 1 is provided with an annular cathode 3 or 3a, which is arranged in an envelope 31 or 32 provided with an exit gap.
  • This cathode arrangement 3, 31 or 3a, 32 can either - as the left half of the figure shows - be arranged outside the first ring resonator 1, which is then provided with an inlet gap 11, or - as the right half of the figure shows - inside the first ring resonator 1.
  • the active cathode surface of the cathode arrangement can either form a closed ring or be composed of segments.
  • the electron beam 4 emerges from the cathode arrangement parallel to the common axis of the ring resonators 1 and 2.
  • the electrons emerge from the first ring resonator or input resonator 1 with a sufficiently large HF amplitude - to which the control signal is supplied, as is not shown here.
  • the electron beam 9 then leaves the first ring resonator 1, the input resonator, to which - as is not shown further here - the control signal is fed, modulated by the exit gap 12.
  • the electron beam 4 is accelerated and then enters the second ring resonator 2, the output resonator, through the entry gap 21.
  • the output energy is decoupled from this resonator, as is also not shown in detail.
  • the electron beam 4 leaves this second ring resonator 2 through the exit gap 22 and is received by a likewise ring-shaped collector 8. If the residual energy of the electron beam 4 is only so great that it can be dissipated thermally by the second ring resonator 2, the exit gap 22 and the collector 8 can be dispensed with. The electron beam 4 then hits the bottom of the second ring resonator 2.
  • a magnetic field 6 can be generated that is parallel to the ring axis and focuses the electron beam 4. This enables an electron beam with a high space charge, i.e. low acceleration voltage, to be used with high beam current.
  • a continuous wave output of a few MW can be achieved at a frequency of 500 MHz.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Verstärkerröhre mit zwei Ringresonatoren, von denen der erste als Ansteuerresonator dient und mit Hilfe eines, mit diesem Resonator verbundenen Kathodensystems einen mit der Frequenz eines Steuersignals um die Ringachse umlaufenden Elektronenstrahl erzeugt, bei der der Elektronenstrahl durch eine Gleichspannung beschleunigt wird und in den zweiten, auf die gleiche Frequenz abgestimmten Ringresonator eintritt, in den er ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld influenziert und an den er einen Teil seiner Energie abgibt.
  • Eine Mikrowellen-Verstärkerröhre dieser Art ist aus der DE-OS 2 947 264 bekannt.
  • Bei einer solchen als «Trirotron» bezeichneten Röhre dient eine in einem Ringresonator angebrachte Kathodenfläche als Quelle für einen radial austretenden, umlaufenden, speichenförmigen Elektronenstrahl. Durch ein vorgespanntes Gitter am Austrittsspalt des Resonators wird erreicht, dass Elektronen nur am jeweiligen Ort des umlaufenden Maximums der elektrischen Feldstärke den Steuerresonator verlassen. Diese Elektronen werden dann durch ein hohes elektrostatisches Feld beschleunigt und treten radial in den Ausgangs-Ringresonator ein.
  • Bei einer solchen Mikrowellen-Verstärkerröhre müssen also zwei konzentrisch angeordnete Ringresonatoren mit prinzipiell gleicher Winkelgeschwindigkeit der HF-Phase arbeiten, was nachteilig ist. Weiter stösst bei einer solchen Röhre die Fokussierung des Elektronenstrahls wegen der konzentrisch zueinander angeordneten Resonatoren auf Schwierigkeiten.
  • Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass aus der US-PS 2634383 bereits eine Mikrowellen-Verstärkerröhre bekannt ist, mit zwei Ringresonatoren, von denen der erste als Ansteuerresonator dient und mit Hilfe eines mit diesem Resonator verbundenen Kathodensystems einen ringförmigen Elektronenstrahl erzeugt, der durch eine Gleichspannung beschleunigt in den zweiten, auf die gleiche Frequenz abstimmbaren Ringresonator eintritt, in der er ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld influenziert und an den ereinenTeil seiner Energie abgibt, wobei die Ringresonatoren in Richtung der Ringachse übereinander angeordnet sind und der Elektronenstrahl den ersten Ringresonator und den zweiten Ringresonator parallel zu der Ringachse durchtritt.
  • Ein umlaufender Elektronenstrahl wird bei dieser Röhre nicht erzeugt, sie hat nicht die Wirkungsweise eines «Trirotrons».
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Verstärkerröhre der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Angleichung der Winkelgeschwindigkeiten der HF-Phase beider Resonatoren keine durch die Geometrie der Röhre bedingte Schwierigkeiten mehr bereitet und ihre maximale Arbeitsfrequenz wesentlich erhöht wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Ringresonatoren in Richtung der Ringachse übereinander angeordnet sind und dass der Elektronenstrahl den ersten Ringresonator und den zweiten Ringresonator parallel zu der Ringachse durchtritt.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Angleichung der Winkelgeschwindigkeiten der HF-Phasen beider Resonatoren keine geometrisch bedingten Schwierigkeiten mehr bereitet und dass, da die Kathode nicht mehr konzentrisch im Steuerresonator liegt, die obere Frequenzgrenze der Röhre wesentlich angehoben wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass mit konventionellen Methoden ein achsenparalleles Magnetfeld zur Fokussierung des Elektronenstrahls angebracht werden kann, so dass Elektronenstrahlen hoher Raumladung (d.h. niedriger Spanung) anwendbar werden.
  • Mit einer Röhre nach der Erfindung lässt sich bei der Verstärkung von HF-Signalen ein Wirkungsgrad erreichen (>80%), der deutlich über dem mit Klystrons erreichbaren Wert liegt.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt, teilweise im Schnitt, eine Mikrowellen-Verstärkerröhre gemäss der Erfindung.
  • Die Röhre besteht aus zwei, in Abstand voneinander übereinanderliegenden Ringresonatoren 1 und 2. Die Ringresonatoren sind durch Isolierringe 9 miteinander verbunden, so dass zwischen den Ringresonatoren eine Beschleunigungsstrecke 7 gebildet ist. Der erste Ringresonator 1 ist mit einer ringförmigen Kathode 3 bzw. 3a versehen, die in einer, mit einem Austrittsspalt versehenen Umhüllung 31 bzw. 32 angeordnet ist.
  • Diese Kathodenanordnung 3, 31 bzw. 3a, 32 kann entweder - wie dies die linke Hälfte der Figur zeigt - ausserhalb des ersten Ringresonators 1 angeordnet sein, der dann mit einem Eintrittsspalt 11 versehen ist, oder - wie dies die rechte Hälfte der Figur zeigt - innerhalb des ersten Ringresonators 1.
  • Die aktive Kathodenfläche der Kathodenanordnung kann entweder einen geschlossenen Ring bilden oder aus Segmenten zusammengesetzt sein.
  • Aus der Kathodenanordnung tritt bei hinreichend grosser HF-Amplitude im ersten Ringresonator der Elektronenstrahl 4 parallel zu der gemeinsamen Achse der Ringresonatoren 1 und 2 aus. Die Elektronen treten dabei bei hinreichend grosser HF-Amplitude im ersten Ringresonator oder Eingangsresonator 1 - dem, wie hier nicht weiter dargestellt, das Steuersignal zugeführt wird - aus diesem aus. Durch eine positive Vorspannung zwischen der Kathodenanordnung 3 und dem Eingangsresonator 1 und weiter durch ein Steuergitter 10, das z.B. im Austrittsspalt 12 des ersten Ringresonators angeordnet sein kann, kann erreicht werden, dass nur am jeweiligen Ort des maximalen elektrischen HF-Feldes Elektronen austreten können.
  • Der Elektronenstrahl 9 verlässt dann den ersten Ringresonator 1, den Eingangsresonator, dem - wie hier nicht weiter dargestellt - das Steuersignal zugeführt wird, moduliert durch den Austrittsspalt 12.
  • In dem elektrostatischen Feld der Beschleunigungsstrecke 7 zwischen dem ersten und dem zweiten Ringresonator 1 bzw. 2 wird der Elektronenstrahl 4 beschleunigt und tritt dann durch den Eintrittsspalt 21 in den zweiten Ringresonator 2, den Ausgangsresonator ein.
  • Aus diesem Resonator wird - wie ebenfalls nicht näher dargestellt - die Ausgangsenergie ausgekoppelt. Der Elektronenstrahl 4 verlässt durch den Austrittsspalt 22 diesen zweiten Ringresonator 2 und wird von einem ebenfalls ringförmigen Kollektor 8 aufgenommen. Falls die Restenergie des Elektronenstrahls 4 nur so gross ist, dass sie von dem zweiten Ringresonator 2 thermisch abgeführt werden kann, kann auf den Austrittsspalt 22 und den Kollektor 8 verzichtet werden. Der Elektronenstrahl 4 trifft dann auf den Boden des zweiten Ringresonators 2 auf.
  • Mit konventionellen Methoden, z.B. dadurch, dass die Röhre in einen - hier nicht dargestellten - Ringmagneten eingesetzt wird, kann ein zu der Ringachse paralleles Magnetfeld 6 erzeugt werden, das den Elektronenstrahl 4 fokussiert. Dadurch ist es möglich, einen Elektronenstrahl hoher Raumladung, d.h. niedriger Beschleunigungsspannung, bei hohem Strahlstrom zu verwenden.
  • Mit einer Röhre der hier beschriebenen Art lässt sich eine Dauerstrich-Ausgangsleistung von einigen MW bei einer Frequenz von 500 MHz erzielen.

Claims (10)

1. Mikrowellen-Verstärkerröhre mit zwei Ringresonatoren, von denen der erste (1) als Ansteuerresonator dient und mit Hilfe eines mit diesem Resonator verbundenen Kathodensystems (3) einen mit der Frequenz eines Steuersignals um die Ringachse umlaufenden Elektronenstrahl (4) erzeugt, bei der der Elektronenstrahl durch eine Gleichspannung beschleunigt wird und in den zweiten, auf die gleiche Frequenz abgestimmten Ringresonator (2) eintritt, in den er ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld influenziert und an den er einen Teil seiner Energie abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringresonatoren (1, 2) in Richtung der Ringachse (5) übereinander angeordnet sind und dass der Elektronenstrahl (4) den ersten Ringresonator (1) und den zweiten Ringresonator (2) parallel zu der Ringachse durchtritt.
2. Verstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem parallel zur Richtung des Elektronenstrahls verlaufenden Magnetfeld (6) angeordnet ist.
3. Verstärkerröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einen Ringmagneten eingesetzt ist.
4. Verstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem zweiten Ringresonator ein Kollektor (8) für den Elektronenstrahl (4) angeordnet ist.
5. Verstärkerröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (8) von dem Ausgangsresonator (2) elektrisch isoliert ist und an einer Spannung liegt, die niedriger ist als die Spannung am Ausgangsresonator.
6. Verstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ersten Ringresonators (1) ein Steuergitter (10) für den Elektronenstrahl (4) angeordnet ist.
7. Verstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensystem (3) über dem Eintrittsspalt (11) des ersten Ringresonators (1) angeordnet ist.
8. Verstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensystem (3a) innerhalb des ersten Ringresonators (1) angeordnet ist.
9. Verstärkerröhre nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Teil des Kathodensystems (3) einen geschlossenen Ring bildet.
10. Verstärkerröhre nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, das der aktive Teil des Kathodensystems (3) durch Segmente gebildet wird.
EP82200811A 1981-07-02 1982-06-30 Mikrowellen-Verstärkerröhre mit zwei Ringresonatoren Expired EP0069426B1 (de)

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DE19813126119 DE3126119A1 (de) 1981-07-02 1981-07-02 Mikrowellen-verstaerkerroehre mit zwei ringresonatoren

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EP0069426A2 EP0069426A2 (de) 1983-01-12
EP0069426A3 EP0069426A3 (en) 1983-05-25
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