12.111.1965 Niemiecka Republika Federalna Opublikowano: 28.11.1967 53077 KI. 21 g, 13/17 MKP HOlj 15/00 UKD Wspóltwórcy wynalazku: dr Klaus Póschl, dr Werner Veith Wlasciciel patentu: Siemens & Halske Aktiengesellschaft, Monachium (Niemiecka Republika Federalna) Elektronopromieniowa lampa wzmacniajaca z modulacja predkosci, szczególnie dla duzych mocy Wynalazek dotyczy elektronopromieniowej lam¬ py wzmacniajacej z modulacja predkosci, szczegól¬ nie dla duzych mocy z obliczona na zasadzie lampy o fali biezacej linia opózniajaca stanowiaca obwód wejsciowy oraz z rezonatorem wnekowym ze szcze¬ lina sprzegajaca, tworzacymi obwód wyjsciowy, przy czym miedzy obwodem wejsciowym i wyjscio¬ wym znajduje sie przestrzen wolna od pól wyso¬ kiej czestotliwosci.Lampy wzmacniajace tego rodzaju sa juz znane i nazywamy je zwykle lampami mieszanymi (hy- brydycznymi). Daja one zasadniczo korzysci w przypadkach, gdy chodzi o wzmocnienie fal elek¬ tromagnetycznych bardzo wysokiej czestotliwosci i duzej mocy, i gdy przy tym wymagana jest bar¬ dzo duza szerokosc pasma sprzezenia wysokiej czestotliwosci. Lampa mieszana wymienionego ty¬ pu nadaje sie zwlaszcza jako lampa mocy do nadajników telewizyjnych, na przyklad do przeno¬ szenia pasma telewizyjnego IV i V, przy czym lampa ta w porównaniu z lampa o fali biezacej, wykazuje wyzsza sprawnosc energetyczna przy dostatecznej szerokosci pasma. Zastosowanie rezo¬ natora jako obwodu wyjsciowego, jest ponadto specjalnie korzystne, gdy nie chcemy, zeby z wzmacnianymi sygnalami byly przenoszone niepo¬ zadane czestotliwosci, powstajace na przyklad przez nieliniowosci w lampie. Rezonator dziala miano¬ wicie z natury rzeczy jako odpowiedni filtr.W znanych dotychczas lampach mieszanych po- 2 siadajacych jako obwód wejsciowy linia opóznia¬ jaca oraz jako obwód wyjsciowy rezonator, moc wysokiej czestotliwosci w linii opózniajacej jest wzmacniana przez dzialanie zmienne wiazka elek- 5 tronów podobnie jak w lampie o fali biezacej.Wywolana tym w wiazce elektronów modulacja pradu wykorzystana jest do tego, zeby pobudzic wlasciwy obwód wyjsciowy, podczas gdy moc wy¬ sokiej czestotliwosci wzmocniona w przewodzie 10 opózniajacym, nie ma dalszego zadnego znaczenia i zostaje wytlumiona, na przyklad przez czlon tlumiacy.Osiagana normalnie w czesci lampy o fali bie¬ zacej modulacja pradowa nie zawsze wystarcza 15 jednak do zadowalajacego pobudzenia obwodu wyjsciowego. Z drugiej strony przy pelnym wyste¬ rowaniu wiazki elektronów przez linie opózniajaca znieksztalcenia w obwodzie wyjsciowym bylyby niedopuszczalnie duze. Próbowano wady te czes- 20 ciowo usunac w ten sposób, ze rezonator wnekowy utrzymuje sie na wyzszym potencjale od linii opóz¬ niajacej aby wiazke elektronów dodatkowo przy¬ spieszyc.. Dzieki temu dodatkowemu przyspieszeniu wiazki elektronów sprawnosc lampy daje sie za- 25 sadniczo powiekszyc. Pozostaje jednak fakt, ze wiazka elektronów tuz za linia opózniajaca jest zawsze modulowana tylko wolna fala ladunków przestrzennych co ogranicza modulacje gestosci pradu, a wiec i przenoszona moc. 30 Zadanie wynalazku polega na tym, zeby w tak 5307753077 3 zwanej lampie mieszanej przedstawionego znane¬ go typu powiekszyc osiagana modulacje gestosci pradu, a przez to i sprawnosc lampy. Celem roz¬ wiazania tego zadania proponuje sie, zeby w lam¬ pie wzmacniajacej wyzej wymienionego typu, zgod¬ nie z wynalazkiem przylaczyc do obliczonej dla wzmacniania fali biezacej linii opózniajacej do¬ datkowy odcinek linii opózniajacej, który z wzmac¬ niajacym odcinkiem linii jest sprzezony wysoka czestotliwoscia i który posiada srednio o 20 do 70% wiekszy okres drgan wlasnych od tego pierwszego, oraz posiada taka dlugosc, ze znajdujaca sie w przewodzie opózniajacym moc wysokiej czestotli¬ wosci przechodzi maksymalnie na wiazke elektro¬ nów.Istotna zaleta zgodnie z wynalazkiem elektrono¬ promieniowej lampy wzmacniajacej jest to, ze wiazka elektronowa po opuszczeniu obwodu wejs¬ ciowego jest silnie i w tym samym stopniu modu¬ lowana, zarówno przez wolna jak i szybka fale ladunków przestrzennych. Wiazka elektronów nie niesie wtedy, podobnie jak w przypadku idealnej modulacji predkosci wytwarzanej w nieskonczenie krótkiej szczelinie, praktycznie zadnej mocy wy¬ sokiej czestotliwosci. Oczywiscie szczeline sprze¬ gajaca obwodu wyjsciowego umieszcza sie wtedy, podobnie jak w lampach o czystej modulacji pred¬ kosci, w takim miejscu, w którym amplitudy pradu konwekcyjnego obu tal ladunków przestrzennych dodaja sie na skutek róznej predkosci fazowej obu fal po przebyciu okreslonej drogi.Modulacja wiazki elektronów, zarówno wolna jak i szybka fala ladunków przestrzennych odby¬ wa sie w zgodnej z wynalazkiem lampie wzmac¬ niajacej nastepujaco: wiazka elektronów jest naj¬ pierw modulowana na dlugosci tego odcinka linii opózniajacej, który jest obliczony na zasadzie wzmacniania w znanych lampach o fali biezacej, wolna lala ladunków przestrzennych w podobnym stopniu w jakim jest wzmacniana energia wyso* kiej czestotliwosci wprzeiona w Unie opózniajaca.W odróznieniu jednak od znanych lump mieszal¬ nych, wzmocniona energia wysokiej czestotliwosci ttie jest odprowadzana z linii opózniajacej i ttu^ roiona, lecz jest doprowadzana do drugiego odcinka linii opózniajacej. Dzieki temu, ze linia opózniajaca ,w wymienionym drugim odcinku posiada dluzszy okres drgan wlasnych jak okres pierwszego odcin¬ ka, predkosc fazowa przenoszacej sie po przewo¬ dzie fali elektromagnetycznej jest wieksza, anizeli (w zakresie, w którym zgodnie z celem fala ma byG wzmacniana w przewodzie.Oznacza to, ze na drugim odcinku linii opóznia¬ jacej, fala w odróznieniu od mechanizmu wzmac¬ niajacego z fala biezaca, rozprzestrzenia sie nieco szybciej, anizeli by to wynikalo z predkosci wiaz¬ ki elektronów. Moc wysokiej czestotliwosci prze¬ chodzi na wiazke elektronów i to w tej formie, ze wiazka elektronów zostaje modulowana szybka fala ladunku przestrzennego. Tego rodzaju sprze¬ zenie linii opózniajacej z wiazka elektronów, przy którym wystepuje zasadniczo synchronizm mie¬ dzy rozprzestrzeniajaca sie w linii opózniajacej fa¬ la elektromagnetyczna i szybka fala ladunków przestrzennych w wiazce ilskttonów, nazywamy zwykle sprzezeniem biernym.Prawa rzadzace sprzezeniem biarnym znane sa z warunków Kompfner-Dip^ i mówia one, ze moc 5 wysokiej czestotliwosci znajdujaca sie w linii opózniajacej przenosi sie przez sprzezenie w mia¬ re wzrastania dlugosci przewodu, na wiazke elek¬ tronów, podczas gdy od pewnej okreslonej dlu¬ gosci linii opózniajacej, wiazka elektronów po- 10 nownie oddaje moc. Tak zwany „JCompfner-Dip" podaje przy tym te dlugosc przewodu przy której moc wysokiej czestotliwosci przechodzi calkowi¬ cie z przewodu opózniajacego na wiazke elektro¬ nów. 15 Te znane warunki wywodza sie oczywiscie z te¬ go, ze wiazka elektronów na wyjlciu biernie sprze¬ zonej linii opózniajacej nie jest modulowana. Na¬ tomiast wiazka elektronów w lampie wedlug wy¬ nalazku niesie na wejsciu biernego odcinka linii 20 modulacje wysokiej czestotliwosci, która wiazka ta otrzymala na odcinku czynnego, pracujacego na zasadzie lampy o fali biezace], odcinka przewodu.Dokladne badania matematyczne wykazaly, ze tak¬ ze w tym przypadku ma miejsce bierne sprzeze- 25 nie zadanego typu to jest przyrost mocy kinetycz¬ nej wiazki elektronowej, gdy bierny odcinek linii posiada srednio o 20 do 70^/c zwiekszony okres drgan wlasnych w stosunku do czynnego odcinka linii. $o Dlugosc biernego odcinka linii, przy której moc wysokiej czestotliwosci znajdujaca sie w linii opóz¬ niajacej przeszla maksymalnie na wiazke elektro¬ nowa, pokrywa sie w przyblizeniu z warunkami „Kompfner-Dip". Rachunek wykazal w szczegól- 35 nosci, ze iloczyn parametru wzmocnienia („Pierce- -Parameter"), C * (K1/4 U)Vi i N musi wynosic okolo 0,2, gdy okres drgan wlas¬ nych linii biernej jest zmieniony srednio o 70% w stosunku do czynnego odcinka linii, podczas 40 gdy przy srednim powiekszeniu okresu tego o fc0*/a iloczyn CN jest równy mniej wiecej 0,5. (W po¬ danej zaleznosci od parametru wzmocnienia ozna¬ cza: K — opornosc sprzezenia przewodu opóz¬ niajacego, I — prad staly, oraz V — napiecie sta¬ le wiazki elektronowej, N — jest liczba opóznio¬ nych dlugosci fal na biernym odcinku linii). 2 ilo¬ czynu CN mozna nastepnie okreslic fizyczna dlu¬ gosc biernego odcinka linii przez pomnozenie swo¬ bodnej dlugosci fali wzmacnianego sygnalu przez 50 iloraz iloczynu CN i parametru C.W dalszym ciagu wynalazek zostanie blizej ob¬ jasniony na podstawie rysunku.Fig. i przedstawia schematycznie w przekroju podluznym lampe wzmaniajaca zgodna z wynalaz- 55 kiem. Przez 1 oznaczono wyrzutnie elektronowa, z którego wychodzi wiazka elektronowa 2, która jest prowadzona na dlugosci swojej drogi wylado¬ wania przy pomocy ukladu magnesów 8 a wiazka elektronów jeat sprzezona z linia spiralna 4 umie- M szczona w kierunki wiazki za wyrzutnia 1 i na którego wejsciu zostaje wprzezony wzmacniany sygnal cos.Zgodnie z wynalazkiem linia spiralna 4 sklada sie z dwóch odcinków o róznym skoku spirali. 95 Pierwszy odcinek spirali, który w dalszym ciagu 4553077 bedzie nazywac sie czynna czescia spirali, ma dlu¬ gosc li i jest obliczony zgodnie ze znanymi pra¬ wami wzmacniania maksymalnego slabych sygna¬ lów. Drugi odcinek spirali o dlugosci lt ma po¬ wiekszony na przyklad o 50°/o, w stosunku do czes¬ ci czynnej skok spirali, tak ze predkosc fazowa przechodzacej przez przewód fali elektromagne¬ tycznej jest na odcinku 1* powiekszona w stosun¬ ku do czynnej czesci spirali Otrzymuje sie w ten sposób bierne sprzezenie, wzmocnionej w czynnej czesci spirali mocy wy¬ sokiej czestotliwosci z wiazka elektronowa. Dlugosc 1* nalezy przy tym tak dobrac, aby znajdujaca sie w spirali 4 moc wysokiej czestotliwosci przecho¬ dzila na koncu calego przewodu spiralnego znów maksymalnie na wiazke elektronowa. Wiazka elektronowa jest dlatego na koncu spirali 4 mo¬ dulowana zarówno szybka jak i wolna fala ladun¬ ków przestrzennych i nie przenosi ona praktycz¬ nie zadnej mocy wysokiej czestotliwosci.Zamodulowana w ten sposób wiazka elektro¬ nowa Z przebywa wolna od pola przestrzen 5.Dlugosc tej przestrzeni jest tak obliczona, ze po¬ dobnie jak w znanych warunkach lamp klistro- nowych, amplitudy modulacji pradowej obu fal ladunków przestrzennych dodaja sie na koncu przestrzeni 5. W miejscu tym znajduje sie szcze¬ lina sprzegajaca 7 rezonatora wnekowego 6, Wiaz¬ ka elektronowa 2 powoduje nastepnie przy przejs¬ ciu przez szczeline 7 silne drgania wysokiej czes¬ totliwosci, które daja sie wyprowadzic jako wzmocniony sygnal z rezonatora wnekowego 6.Za szczelina sprzegajaca 7 elektrony sa przejmo¬ wane przez kolektor elektronów 8.Dla okreslenia praktycznego wymiaru przewodu spiralnego 4 mozna na przyklad przyjac nastepu¬ jace dane.Parametr predkosci (ve — oznacza srednia predkosc elektronów, vph — jest predkoscia fazowa sprzezonej z wiazka elek¬ tronowa fali elektromagnetycznej w spirali, a C — jest parametrem wzmocnienia), powinien wynosic na czynnym odcinku spirali +1,1, podczas gdy pa¬ rametr ladunków przestrzennych 4 QC jest rów¬ ny 1,5.Skok spirali biernego odcinka mozna na przy¬ klad tak obliczyc, zeby parametr predkosci b byl w nim równy —2. Rachunek wykazal, ze wtedy CN^0,3 modulacja pradowa w wiazce elektrono¬ wej osiaga maksimum, a mianowicie wiecej niz podwójna wartosc modulacji w czynnym odcinku spirali. Dla parametru predkosci b = —1,5 otrzy¬ muje sie maksimum modulacji pradowej dla war¬ tosci CN równej okolo 0,35. Nalezy przy tym zau¬ wazyc, ze w przeciwienstwie do „Kompfner-Dip" nie cala moc wysokiej czestotliwosci przechodzi tutaj z linii spiralnej na wiazke, poniewaz wiaz¬ ka elektronowa przy wejsciu w bierna czesc spi¬ rali jest juz zmodulowana. Okazalo sie jednak, ze przy minimum mocy na spirali, co jest jednoczes¬ nie minimum mocy wysokiej czestotliwosci w wiaz¬ ce elektronowej, amplitudy szybkiej i wolnej fali ladunków przestrzennych sa mniej wiecej równe i stosunkowo duze. Sa to warunki jakie chcemy wlasnie osiagnac.W zgodnej z wynalazkiem lampie wzmacniaja- 5 cej wedlug fig. 1 nie jest konieczne, zeby odcinek bierny linii spiralnej mial staly skok spirali. Ko¬ rzystniej jest raczej, gdy skok spirali na koncu czynnej linii nie wzrasta raptownie lecz stopnio¬ wo. Unika sie przez to niebezpieczenstwa odbic 10 miedzy czynnym i biernym odcinkiem spirali. Skok biernego odcinka spirali moze nastepnie na zmia¬ ne rosnac i malec jak to przykladowo pokazano na wykresach fig. 2 i 3, podajacych skok s spirali zgodnej z wynalazkiem lampy w zaleznosci od osi 15 podluznej l Widzimy, ze w czesci czynnej skok powinien byc staly na calej dlugosci ll9 podczas gdy w czes¬ ci biernej na dlugosci Ig posiada on wartosci róz¬ ne powiekszone w stosunku do czynnego odcinka 20 spirali. Zarówno przy pomocy spirali odpowiada¬ jacej wykresowi fig. 2 jak i spirali wedlug fig. 3 mozna uzyskac to, ze moc wysokiej czestotliwosci znajdujaca sie w linii opózniajacej przenosi sie przez sprzezenie ponownie maksymalnie na wiaz- 25 ke elektronowa, gdy powiekszenie skoku wynosi srednio 20 do 70% w stosunku do czynnego od¬ cinka spirali.W zgodnej z wynalazkiem lampie wzmacniaja¬ cej sprawnosc daje sie w znany sposób powiek- 20 szyc jeszcze przez to, ze wiazka elektronowa jest dodatkowo przyspieszana miedzy obwodem wejs¬ ciowym i wyjsciowym. Jest to szczególnie wska¬ zane, gdy lampa jest przewidziana dla mocy wyjs¬ ciowych powyzej 10 kW. Nalezy przy tym przy- 25 jac mozliwie najwieksza wartosc preweancji wiaz¬ ki elektronowej w obwodzie wejsciowym, aby w obwodzie wyjsciowym perweancja nie byla za mala. (Wiadomo mianowicie, ze przy dodatkowym przyspieszeniu o wspólczynnik 4 perweancja 40 zmniejsza sie o wspólczynnik 8). W obwodzie sprzegajacym jest mianowicie pozadana równiez stosunkowo duza perweancja, gdyz z nia wiaze sie mala impedancja promienia, jaka jest wyma¬ gana dla dobrego dopasowania rezonatora wneko- 45 wego 6 do opornosci rezonansowej.Wymienione warunki dla wiazki elektronowej daja sie korzystnie wypelnic przy pomocy wiazki rurowej, gdyz jak wiadomo dla takiej wiazki elek¬ tronowej daje sie uzyskac szczególnie duza perwe- 50 ancje. Z drugiej strony nalezy jednak dazyc do tego, zeby srednica wiazki elektronowej w szcze¬ linie sprzegajacej obwodu wyjsciowego byla sto¬ sunkowo mala, a to celem uzyskania duzej opor¬ nosci rezonansowej obwodu wyjsciowego. Przez do- 55 datkowe przyspieszenie rurowej wiazki elektro¬ nów wymaganie to daje sie spelnic, gdyz drogi przyspieszenia dzialaja zawsze jak soczewki zbie¬ rajace i dlatego zmniejszaja znacznie srednice promienia elektronowego. 60 Na fig. 4 przedstawiony jest fragment przejscia miedzy obwodem wejsciowym i wyjsciowym od¬ powiedniej pracujacej z rurowa wiazka elektro¬ nowa lampy. Przy tym przez 4 jest znów oznaczo¬ ny przewód spiralny, przez 7 szczelina sprzegaja- 65 ca i przez 5 znajdujaca sie miedzy nimi przestrzen53077 7 wolna od pola wysokiej czestotliwosci/Sciesnienie promienia rurowego 2 osiaga sie przez silne do¬ datkowe przyspieszenie elektronów miedzy elek- 2. troda 9 znajdujaca sie na koncu przewodu spiral¬ nego 4 i elektroda 10 w wolnej od pola przestrze- 5 ni. Ewentualnie zbierajace oddzialywanie na dro¬ dze dodatkowego przyspieszania mozna jeszcze po¬ wiekszyc przez wzmocnienie pola magnetycznego, sluzacego do prowadzenia w postaci wiazki stru¬ mienia elektronowego 2 miedzy koncem przewo- 10 du spiralnego 4 i szczelina sprzegajaca 7. 3.Wynalazek nie ogranicza sie do opisanych przy¬ kladów wykonania. W szczególnosci linia opóznia¬ jaca nie musi byc linia spiralna. Istotnym dla wynalazku jest to, ze linia opózniajaca, tworzaca 15 4. obwód wejsciowy lampy wzmacniajacej sklada sie z odcinka czynnego i odcinka biernego, przy czym moc wysokiej czestotliwosci wzmocniona w odcin¬ ku czynnym jest na koncu odcinka biernego prze¬ noszona przez sprzezenie maksymalnie ponownie 20 do wiazki elektronowej. 5. PL