EP2017874A2 - Wanderfeldröhrenanordnung - Google Patents

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EP2017874A2 EP08104696A EP08104696A EP2017874A2 EP 2017874 A2 EP2017874 A2 EP 2017874A2 EP 08104696 A EP08104696 A EP 08104696A EP 08104696 A EP08104696 A EP 08104696A EP 2017874 A2 EP2017874 A2 EP 2017874A2
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line
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    • H01J23/40—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy to or from the interaction circuit
    • H01J23/42—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy to or from the interaction circuit the interaction circuit being a helix or a helix-derived slow-wave structure
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps

Definitions

  • the invention relates to a traveling-wave tube arrangement with a delay line surrounded by a vacuum envelope and a decoupling arrangement.
  • Wanderfeldröhren contain within a vacuum envelope a delay line, which is typically designed as a helical line or, in particular for higher frequencies than multiply deflected waveguide structure.
  • An electron beam guided in a magnetic field and propagating along the delay line in the high vacuum present within the vacuum envelope interacts with a radio frequency (RF) signal injected on an input side of the delay line, the radio frequency signal being an amplified RF output signal on an output side of the delay line can be tapped off and decoupled by means of a decoupling device through the vacuum envelope to an output circuit arranged outside this, for example an antenna arrangement.
  • the decoupling assembly includes a decoupling line and, when passing through the vacuum envelope, a seal n the shape of a dielectric material called a vacuum window.
  • the high-frequency decoupling line is usually designed as a coaxial line, but can also be formed by a waveguide.
  • the high-frequency decoupling line With increasing output power of the RF output signal occur higher electric fields, eg. B. between the inner conductor and outer sheath of a coaxial line, which can lead to unwanted secondary electron emission by so-called multipaction or field flashovers in the form of a so-called corona.
  • Such effects can lead to errors in the RF output signal or, in the worst case, to the destruction of the tube.
  • the present invention has for its object to provide a traveling wave tube arrangement in which the risk of said disturbing effects at higher output power is reduced.
  • the partial services which are decoupled via the multiple decoupling lines are advantageously the same size.
  • exactly two coupling lines are provided, which are passed through in each case one of two separate vacuum windows.
  • the distribution of the total output power of the tubes to partial powers is advantageously carried out by means of a power divider arrangement with an input port at the output of the delay line and a plurality of decoupled output ports.
  • the branch lines advantageously form transformation lines in the form of quarter wavelength lines at the operating frequency in a manner known per se. Due to the terminating resistor, the two output ports are decoupled from each other.
  • An impedance matching between the characteristic impedance of the delay line and the characteristic impedance of an external circuit connected to the output ports of the divider is advantageously possible at the same time via the branch lines.
  • the output ports of the divider and the terminating resistor are advantageously outside the vacuum envelope.
  • the transformation lines, including the vacuum windows, are part of the coupling-out arrangement.
  • the delay line advantageously has a low-pass characteristic and is preferably designed in a manner known per se as a helical line or a ring-land line.
  • the RF decoupling lines are advantageously carried out at least partially, in particular on a delay line facing portion in coaxial and galvanically connected to the delay line in particular one of the aforementioned types.
  • the coupling lines can be designed completely as coaxial lines.
  • a mixed form of coaxial line and waveguide be provided, in particular in such a way that an initial portion of the coupling line is carried out in coaxial technology, which is followed by a waveguide section, wherein advantageously the dielectric vacuum window is arranged in the region of the waveguide section.
  • the coupling lines of Auskoppelan extract are advantageously carried out in coaxial technology.
  • the invention is particularly advantageous at an operating frequency of the traveling-wave tube arrangement in a range below 8 GHz.
  • the decoupled via the separate coupling lines part services can be brought together again in an external circuit in an advantageous embodiment, so that as in the case of decoupling via only one decoupling line, the entire output power is available for an application.
  • the separately decoupled part services can also be used separately and z. B. transmit power for two separate RF antennas.
  • Fig. 1 is denoted VL a delay line, in particular a helical line, which has a characteristic impedance ZL.
  • a decoupling point AP of the delay line is connected to the input port TE of a Wilkinson divider WT.
  • Output gates T1, T2 of the Wilkinson divider each have one Characteristic impedance ZO, which in particular may be 50 ohms according to the value customary in HF applications.
  • the two output ports T1, T2 are connected to one another via a terminating resistor AW, which is preferably designed as a real resistor to a value 2 ZO.
  • the branch lines L1, L2 connecting the input port to the output ports in a Wilkinson divider are designed as quarter wavelength lines and advantageously also serve to transform the characteristic impedance Z1 of the delay line VL on the characteristic impedance ZO to the output ports ZO.
  • the branch lines have this z.
  • the branch lines L1, L2 are guided in vacuum windows F1, F2 of dielectric material through the vacuum envelope HU.
  • the helical line VL and the input port TE of the divider are located in a high vacuum area VA surrounded by a vacuum envelope HU.
  • the output ports T1, T2 and the terminating resistor AW are preferably located outside the vacuum envelope HU in the ambient pressure PU.
  • each of the two branch lines L1, L2 half of the entire output line is coupled out and fed to an external circuit AB, which in particular can contain an HF antenna arrangement.
  • the decoupled via the coupling lines L1, L2 through the vacuum envelope and at the output ports T1, T2 available part services can be summarized in the outer circuit again and further processed together, z. B. as a single feed power for an antenna.
  • the partial outputs available at the output ports T1, T2 can also be processed separately in the external circuit be, for. B. as a power supply for two separate sub-antennas or antenna elements of an antenna array.
  • Fig. 2 schematically shows an advantageous embodiment of the output range of a traveling wave tube arrangement with a Wilkinson divider in coaxial design.
  • Two coaxial lines K1, K2 are passed through the vacuum envelope, wherein the passages of the coaxial K1, K2 are formed by the vacuum envelope in a conventional manner so that dielectric vacuum windows F1, F2 between outer conductor LA and inner conductor LI of the coaxial conductor are inserted and the outer conductor are tightly connected to the vacuum envelope.
  • the transformation lines of the divider are then implemented in mixed technique.
  • the inner conductors of the coaxial lines K1, K2 are connected to each other within the vacuum envelope at the input port and to the delay line VL.
  • the decoupled signals on the two coaxial lines K1, K2 are in phase.
  • the inner conductors of the coaxial lines outside the vacuum envelope HU which form the transformation lines of the Wilkinson divider, the inner conductors of which are connected to one another via a real terminating resistor AW at the ends facing away from the input gate or the delay line.

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Abstract

Für eine Wanderfeldröhrenanordnung, bei welcher eine Auskoppelanordnung eine über ein Vakuumfenster durch die Vakuumhülle geführte Auskoppelleitung enthält, wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsleistung der Verzögerungsleitung (VL) innerhalb der Vakuumhülle (HU) in Teilleistungen aufgeteilt wird, welche auf getrennten Auskoppelleitungen (K1,K2) über getrennte Vakuumfenster (F1,F2) durch die Vakuumhülle zu einer Außenbeschaltung ausgekoppelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wanderfeldröhrenanordnung mit einer von einer Vakuumhülle umgebenen Verzögerungsleitung und einer Auskoppelanordnung.
  • Wanderfeldröhren enthalten innerhalb einer Vakuumhülle eine Verzögerungsleitung, welche typischerweise als eine Wendelleitung oder, insbesondere für höhere Frequenzen als mehrfach umgelenkte Hohlleiterstruktur ausgeführt ist. Ein in einem Magnetfeld gebündelt geführter und entlang der Verzögerungsleitung in dem innerhalb der Vakuumhülle vorliegenden Hochvakuum fortschreitender Elektronenstrahl tritt mit einem an einer Eingangsseite der Verzögerungsleitung eingespeisten Hochfrequenz (HF)-Signal in Wechselwirkung, wobei das Hochfrequenzsignal als verstärktes HF-Ausgangssignal an einer Ausgangsseite der Verzögerungsleitung abgreifbar und mittels einer Auskoppelanordnung durch die Vakuumhülle zu einer außerhalb von dieser angeordneten Ausgangsbeschaltung, beispielsweise eine Antennenanordnung auskoppelbar ist. Die Auskoppelanordnung enthält eine Auskoppelleitung und bei deren Durchführung durch die Vakuumhülle eine Abdichtung n Form eines als Vakuumfenster bezeichneten dieleketrischen Materials. Die Hochfrequenz-Auskoppelleitung ist meistens als Koaxialleitung ausgeführt, kann aber auch durch einen Hohlleiter gebildet sein. Mit zunehmender Ausgangsleistung des HF-Ausgangssignals treten höhere elektrische Felder, z. B. zwischen Innenleiter und Außenmantel einer Koaxialleitung, auf, welche zu unerwünschter Sekundärelektronenemission durch sogenanntes Multipaction oder zu Feldüberschlägen in Form einer sogenannten Corona führen können. Solche Effekte können zu Fehlern im HF-Ausgangssignal oder im ungünstigen Fall auch zur Zerstörung der Röhre führen.
  • Zur Verringerung solcher Störungen ist es bekannt, durch Veränderung der Abmessungen in der Auskoppelanordnung die auftretenden elektrischen Feldstärken zu reduzieren, was aber insbesondere in niedrigeren HF-Bereichen schwierig ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wanderfeldröhrenanordnung anzugeben, bei welcher die Gefahr der genannten störenden Effekte bei höherer Ausgangsleistung reduziert ist.
  • Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der gesamten ausgekoppelten Ausgangsleistung auf Teilleistungen auf wenigstens zwei Auskoppelleitungen, welche mit jeweils einem Vakuumfenster durch die Vakuumhülle hindurch geführt sind, werden die auftretenden Feldstärken bei den einzelnen Auskoppelleitungen, insbesondere im Bereich der Vakuumfenster erheblich reduziert. Für die Vakuumfenster selbst kann dabei vorteilhafterweise die erprobte und bewährte Technologie beibehalten werden.
  • Die Teilleistungen, welche über die mehreren Auskoppelleitungen ausgekoppelt werden, sind vorteilhafterweise gleich groß. Vorzugsweise sind genau zwei Auskoppelleitungen vorgesehen, welche durch jeweils eines von zwei getrennten Vakuumfenstern hindurchgeführt sind.
  • Die Aufteilung der gesamten Ausgangsleistung der Rohre auf Teilleistungen erfolgt vorteilhafterweise mittels einer Leistungsteileranordnung mit einem Eingangstor am Ausgang der Verzögerungsleitung und mehreren voneinander entkoppelten Ausgangstoren.
  • In besonders vorteilhafter Ausführungsform erfolgt die Aufteilung der gesamten Ausgangsleistung der Verzögerungsleitung auf die Teilleistungen auf den mehreren, vorzugsweise zwei Auskoppelleitungen mittels eines Wilkinson-Teilers, bei welchem von einem an die Verzögerungsleitung angekoppelten Verzweigungspunkt als Eingangstor zwei Zweigleitungen als Auskoppelleitungen weg führen und die dem Verzweigungspunkt abgewandten Enden der Zweigleitungen als Ausgangsteil über einen Abschlusswiderstand verbunden sind. Die Zweigleitungen bilden vorteilhafterweise in an sich bekannter Art Transformationsleitungen in Form von Viertelwellenlängen-Leitungen bei der Betriebsfrequenz. Durch den Abschlusswiderstand sind die beiden Ausgangstore voneinander entkoppelt. Über die Zweigleitungen ist vorteilhafterweise zugleich eine Impedanzanpassung zwischen dem Wellenwiderstand der Verzögerungsleitung und dem Wellenwiderstand einer an die Ausgangstore des Teilers angeschlossenen Außenbeschaltung möglich.
  • Die Ausgangstore des Teilers und der Abschlusswiderstand liegen vorteilhafterweise außerhalb der Vakuumhülle. Die Transformationsleitungen sind einschließlich der Vakuumfenster Teil der Auskoppelanordnung.
  • Die Verzögerungsleitung weist vorteilhafterweise eine Tiefpasscharakteristik auf und ist vorzugsweise in an sich bekannter Weise als eine Wendelleitung oder eine Ring-Steg-Leitung ausgeführt. Die HF-Auskoppelleitungen sind vorteilhafterweise zumindest teilweise, insbesondere an einem der Verzögerungsleitung zugewandten Abschnitt in Koaxialtechnik ausgeführt und galvanisch mit der Verzögerungsleitung insbesondere einer der vorgenannten Bauformen verbunden. In erster vorteilhafter Ausführung können die Auskoppelleitungen vollständig als Koaxialleitungen ausgeführt sein. In anderer vorteilhafter Ausführung kann auch eine Mischform von Koaxialleitung und Hohlleiter vorgesehen sein, insbesondere in der Weise, dass ein anfänglicher Abschnitt der Auskoppelleitung in Koaxialtechnik ausgeführt ist, dem sich ein Hohlleiterabschnitt anschließt, wobei vorteilhafterweise das dielektrische Vakuumfenster im Bereich des Hohlleiterabschnitts angeordnet ist.
  • Die Auskoppelleitungen der Auskoppelanordnung sind vorteilhafterweise in Koaxialtechnik ausgeführt. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei einer Betriebsfrequenz der Wanderfeldröhrenanordnung in einem Bereich unter 8 GHz.
  • Die über die getrennten Auskoppelleitungen ausgekoppelten Teilleistungen können in vorteilhafter Ausführung in einer Außenbeschaltung wieder zusammengeführt sein, so dass wie bei Auskopplung über nur eine Auskoppelleitung die gesamte Ausgangsleistung für eine Anwendung zur Verfügung steht. In andere vorteilhafter Ausführung können die getrennt ausgekoppelten Teilleistungen auch getrennt weiter verwertet werden und z. B. Sendeleistungen für zwei getrennte HF-Antennen liefern.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    ein Prinzipschaltbild mit einem Wilkinson-Teiler,
    Fig. 2
    ein Beispiel einer Anordnung zweier Auskoppelleitungen.
  • In Fig. 1 ist mit VL eine Verzögerungsleitung, insbesondere eine Wendelleitung bezeichnet, welch einen Wellenwiderstand ZL besitze. Ein Auskoppelpunkt AP der Verzögerungsleitung ist mit dem Eingangstor TE eines Wilkinson-Teilers WT verbunden. Ausgangstore T1, T2 des Wilkinson-Teilers weisen jeweils einen Wellenwiderstand ZO auf, welcher insbesondere 50 Ohm entsprechend dem in HF-Anwendungen üblichen Wert betragen kann. Die beiden Ausgangstore T1, T2 sind über einen Abschlusswiderstand AW untereinander verbunden, welcher vorzugsweise als reeller Widerstand auf einen Wert 2 ZO ausgeführt ist.
  • Die bei einem Wilkinson-Teiler das Eingangstor mit den Ausgangstoren verbindenden Zweigleitungen L1, L2 sind als Viertelwellenlängen-Leitungen ausgeführt und dienen vorteilhafterweise zugleich zur Transformation des Wellenwiderstands Z1 der Verzögerungsleitung VL auf dem Wellenwiderstand ZO an den Ausgangstoren ZO. Die Zweigleitungen besitzen hierfür jeweils z. B. einen Wellenwiderstand mit ZL*ZL=2*Z1*Z0 und bilden die Auskoppelleitungen. Die Zweigleitungen L1, L2 sind in Vakuumfenstern F1, F2 aus dielektrischem Material durch die Vakuumhülle HU hindurch geführt.
  • Die Wendelleitung VL und das Eingangstor TE des Teilers befinden sich in einem von einer Vakuumhülle HU umgebenen Hochvakuumbereich VA. Die Ausgangstore T1, T2 und der Abschlusswiderstand AW befinden sich vorzugsweise außerhalb der Vakuumhülle HU im Umgebungsdruck PU.
  • Auf jeder der beiden Zweigleitungen L1, L2 wird die Hälfte der gesamten Ausgangsleitung ausgekoppelt und einer Außenbeschaltung AB, zugeführt, welche insbesondere eine HF-Antennenanordnung enthalten kann. Die über die Auskoppelleitungen L1, L2 durch die Vakuumhülle ausgekoppelten und an den Ausgangstoren T1, T2 zur Verfügung stehenden Teilleistungen können in der Außenbeschaltung wieder zusammengefasst und gemeinsam weiterverarbeitet werden, z. B. als eine einheitliche Speiseleistung für eine Antenne. In anderer Ausführung können die an den Ausgangstoren T1, T2 zur Verfügung stehenden Teilleistungen auch getrennt in der Außenbeschaltung weiter verarbeitet werden, z. B. als Speiseleistungen für zwei getrennte Teilantennen oder Antennenelemente einer Antennenanordnung.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausführung des Ausgangsbereichs einer Wanderfeldröhrenanordnung mit einem Wilkinson-Teiler in Koaxial-Ausführung. Zwei Koaxialleitungen K1, K2 sind durch die Vakuumhülle hindurchgeführt, wobei die Durchführungen der Koaxialleitungen K1, K2 durch die Vakuumhülle in an sich bekannter Art so ausgebildet sind, dass dielektrische Vakuumfenster F1, F2 zwischen Außenleiter LA und Innenleiter LI der Koaxialleiter eingefügt sind und die Außenleiter dicht mit der Vakuumhülle verbunden sind.
  • In anderer, nicht dargestellter Ausführung kann auch ein erster Abschnitt der Auskoppelleitungen von dem Eingangstor TE aus jeweils als Koaxialleitung ausgeführt sein, welche in einen Hohlleiterabschnitt übergeht, wobei die dielektrischen Vakuumfenster vorzugsweise in dem Hohlleiterabschnitt ausgebildet sind. Die Transformationsleitungen des Teilers sind dann in gemischter Technik ausgeführt.
  • Die Innenleiter der Koaxialleitungen K1, K2 sind innerhalb der Vakuumhülle an dem Eingangstor miteinander und mit der Verzögerungsleitung VL verbunden. Die auf den beiden Koaxialleitungen K1, K2 ausgekoppelten Signale sind phasengleich. An den dem Eingangstor bzw. der Verzögerungsleitung abgewandten Enden der die Transformationsleitungen des Wilkinson-Teilers bildenden Koaxialleitungen außerhalb der Vakuumhülle HU sind deren Innenleiter über einen reellen Abschlusswiderstand AW miteinander verbunden.
  • Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims (9)

  1. Wanderfeldröhrenanordnung mit einer von einer Vakuumhülle umgebenen Verzögerungsleitung und einer Auskoppelanordnung, welche mit einer in einem Vakuumfenster durch die Vakuumhülle führenden HF-Auskopplungsleitung HF-Leistung der Verzögerungsleitung zu einer außerhalb der Vakuumhülle angeordneten Ausgangsbeschaltung auskoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelanordnung wenigstens eine weitere in einem weiteren Vakuumfenster durch die Vakuumhülle führende HF-Auskoppelleitung enthält und dass jede der HF-Auskoppelleitungen eine HF-Teilleistung der gesamten Ausgangsleistung zu der Ausgangsbeschaltung auskoppelt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilleistungen gleich groß sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilleistungen in der Ausgangsbeschaltung wieder zusammengeführt sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilleistungen in der Ausgangsbeschaltung getrennt genutzt werden.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Ausgangsleistung auf die Teilleistungen mittels eines Leistungsteilers erfolgt.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsteiler als Wilkinson-Teiler ausgeführt ist mit zwei oder einem Verzweigungspunkt ausgehenden Transformationsleitungen und einem Abschlusswiderstand an den dem Verzweigungspunkt abgewandten Enden der Transformationsleitungen.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelleitungen einschließlich der Vakuumfenster Teil der Transformationsleitungen sind.
  8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querwiderstand außerhalb der Vakuumhülle angeordnet ist.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelleitungen zumindest teilweise in Koaxialtechnik ausgeführt sind.
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