29.IX.1965 Niemiecka Republika Federalna Opublikowano: 30.XI.1968 56302 KI. 21 g, 13/17 MKP H 01 j /SAq UKD Wlasciciel patentu: Siemens & Halske Aktiengesellschaft, Monachium (Niemiecka Republika Federalna) Lampa wzmacniajaca o fali biezacej, dla duzych mocy, z linia opózniajaca o periodycznej strukturze Wynalazek dotyczy lampy wzmacniajacej o fa¬ li biezacej, dla duzych mocy, z linia opózniajaca o periodycznej strukturze, której fala podstawowa ma charakter fali wstecznej a do tlumienia drgan zaklócajacych zawiera umiejscowione tlumiki.Przy lampach wzmacniajacych o fali biezacej dazy sie do stosowania linii opózniajacej z fala podstawowa postepujaca, w celu osiagniecia mo¬ zliwie najlepszego sprzezenia miedzy energia wiel¬ kiej czestotliwosci prowadzona przez linie a wiaz¬ ka elektronowa. Dla lamp o fali biezacej przezna¬ czonych dla wiekszych mocy nie wystarcza jednak obciazalnosc termiczna znanych szerokopasmowych linii opózniajacych z postepujaca fala podstawowa, aby sprostac ogrzaniu linii powodowanemu nie dajacym sie uniknac bombardowaniem elektronów.Natomiast linia opózniajaca skladajaca sie z lancucha sprzezonych ze soba rezonatorów jest dostatecznie stabilna pod wzgledem termicznym dla lamp o fali biezacej przeznaczonych dla duzych mocy, co znane jest z pisma „Elektronische Rund¬ schau" Nr 1, 1963 strona 34. Fala podstawowa ta¬ kich linii ma charakter fali wstecznej. Dla pracy wzmacniacza wykorzystywana jest wiec pierwsza harmoniczna przestrzenna o charakterze fali poste¬ pujacej. Poza tym z niemieckiej publikacji Aus- legeschrift 1128926 wiadomym jest, ze przez odpo¬ wiednie wymiary otworów sprzegajacych, za po¬ moca których poszczególne rezonatory sa ze soba 10 15 20 25 30 2 sprzezone, mozna uzyskac dyspersje linii opóznia¬ jacej umozliwiajaca wzmocnienie szerokopasmowe.Lampy o fali biezacej z linia opózniajaca, której fala podstawowa (najszybsza harmoniczna) ma charakter fali wstecznej, maja silna tendencje do samowzbudzenia w poblizu dolnej czestotliwosci granicznej. Ponadto przy zwiekszaniu napiecia li¬ nii, obecnosc poszczególnych harmonicznych, mo¬ ze prowadzic do wzbudzenia sie drgan zaklócaja¬ cych w otoczeniu czestotliwosci granicznej kazde¬ go z pasm przepustowych. Aby uniknac samo- wzbudzania sie drgan zaklócajacych stosuje sie znane linie opózniajace z umiejscowionymi tlumi¬ kami. Bardzo trudno jest jednak dopasowac tak dobrze linie opózniajaca do tlumika dla tych cze¬ stotliwosci, przy których wystepuja silne pola elektryczne, zeby wykluczyc wzbudzanie sie drgan zaklócajacych. Poza tym energia wielkiej czesto¬ tliwosci powstajaca wskutek zlego dopasowania, musi byc wyeliminowana przez umiejscowione tlu¬ miki. Istnieje przy tym niebezpieczenstwo, ze umiejscowiony tlumik moze ulec zniszczeniu wskutek zbyt wielkiego obciazenia.Wynalazek stawia sobie za zadanie takie wyko¬ nanie linii opózniajacej z fala podstawowa o cha¬ rakterze fali wstecznej, do lampy o fali biezacej przeznaczonej do duzych mocy, ze przy podwyz¬ szaniu napiecia linii az do napiecia roboczego nie osiaga sie warunku somowzbudzenia sie drgan.Zadanie to wedlug wynalazku, dla lampy wzmac- 5630256302 niajacej o fali biezacej, omówionego poprzednio typu, rozwiazane zostalo w ten sposób, ze stosuje sie linie opózniajaca o takim przebiegu dyspersji pierwszej harmonicznej postepujacej, ze opóznie¬ nie w bezposredniej bliskosci dolnej czestotliwosci granicznej najpierw wzrasta, a pózniej w obsza¬ rze roboczym, przy obrocie fazy pierwszej har¬ monicznej wynoszacym 1,05 II do 1,15 II i nie¬ wielkiej dyspersji, jest wyzsza niz przy dolnej cze¬ stotliwosci granicznej, po czym az do górnej cze¬ stotliwosci granicznej opada do wartosci równej najwyzej opóznieniu dla dolnej czestotliwosci gra¬ nicznej tak, ze unika sie drgan zaklócajacych o natezeniu prowadzacym do przeciazenia tlumików, dla wartosci napiecia linii lezacej ponizej napiecia roboczego linii.Istotna zaleta lampy wzmacniajacej o fali bie¬ zacej wedlug wynalazku polega na tym, ze przy wlaczaniu napiecia roboczego linii nie przechodzi sie przez szczególnie krytyczne dla samowzbudze- nia miejsca rezonansu fali podstawowej i poste¬ pujacej pierwszej harmonicznej, przy dolnej cze¬ stotliwosci granicznej (rezonans II), oraz postepu¬ jacej i wstecznej pierwszej harmonicznej w ob¬ szarze górnej czestotliwosci granicznej (rezonans 2 n).Jak, juz wspomniano proponuje sie uzycie od¬ pornej termicznie linii opózniajacej, skladajacej sie z falowodu, w którego wnetrzu umieszczona jest duza ilosc jednakowych scian poprzecznych, ustawionych jedna za druga w jednakowych od¬ stepach, z których kazda posiada co najmniej je¬ den otwór sprzegajacy polozony mimosrodowo wzgledem wzdluznej osi falowodu. W takiej linii opózniajacej uzyskuje sie zadany przebieg dysper¬ sji pierwszej postepujacej harmonicznej w ten spo¬ sób, ze srednia falowodu wynosi 0,3 do 0,45 w szczególnosci 0,38 do 0,39 sredniej dlugosci fali roboczej, a dlugosc fali rezonansowej dla rodzaju fali o najwiekszej dlugosci w przestrzeni ograni¬ czonej dwoma sasiednimi scianami poprzecznymi, do dlugosci fali rezonansowej wszystkich otwo¬ rów sprzegajacych, znajdujacych sie w scianie poprzecznej, oraz do sredniej dlugosci fali roboczej wynosi 1 :1,6 ± 0,25 : 2.Podany warunek na srednice falowodu powodu¬ je, ze górna czestotliwosc graniczna rodzaju fali o najwiekszej dlugosci lezy tak wysoko, ze opóz¬ nienie dla tej czestotliwosci granicznej jest co najwyzej równe opóznieniu dla dolnej czestotli¬ wosci granicznej. Drugi warunek dotyczacy dlu¬ gosci fal rezonansowych dla otworów sprzegaja¬ cych, wplywa na to, ze opóznienie pierwszej po¬ stepujacej harmonicznej w obszarze fal roboczych jest przy niewielkiej dyspersji znacznie wyzsza niz dla obu czestotliwosci granicznych.Srednia dlugosc fali roboczej linii opózniajacej, skladajacej sie wedlug wynalazku z falowodu ze scianami poprzecznymi wynosi najkorzystniej po¬ lowe dlugosci dolnej fali granicznej dla pierwsze¬ go pasma przepustowego. Poza tym otwory sprze¬ gajace w scianach poprzecznych wykonane sa jako mniej lub wiecej zakrzywione szczeliny. W tym przypadku podwójna srednia dlugosc szczeliny odpowiada dlugosci fali rezonansowej dla otwo¬ rów sprzegajacych. Przy zalozeniu, ze dlugosc fa¬ li roboczej równa jest prawie podwójnej dlugosci dolnej fali granicznej, srednia dlugosc szczeliny otworów sprzegajacych wynosi okolo 0,35 do 0,45 5 sredniej dlugosci fali roboczej.Wystepowanie drgan zaklócajacych w lampie o fali biezacej z linia opózniajaca skladajaca sie ze sprzezonych ze soba rezonatorów, polega w zasa¬ dzie na tym, ze wystepuje wzbudzenie drgan o 10 czestotliwosci wyzszej niz czestotliwosc fali o najwiekszej dlugosci. Niebezpieczenstwo wzbudze¬ nia sie tych drgan zaklócajacych zmniejsza sie znacznie przy zastosowaniu linii wedlug wynalaz¬ ku, gdyz wskutek stosunkowo niewielkiej srednicy ig wewnetrznej poszczególnych rezonatorów, rodzaje drgan o wyzszych czestotliwosciach maja bardzo male dlugosci fal rezonansowych. Poniewaz opor¬ nosc sprzegajaca proporcjonalna jest do kwadratu dlugosci fali, wiec oznacza to mniejsze sprzezenie 20 dla wspomnianych rodzajów drgan zaklócajacych.Poza tym proponuje sie, aby wedlug wynalazku stosunek srednicy wewnetrznej komór rezonatorów do ich wysokosci zawieral sie miedzy ]/l,2 i 10.Spelnienie tego warunku powoduje przesuniecie 25 pewnych pasm przepuszczania linii, w szczegól¬ nosci pasma przepuszczania dla fali Hni, w zakres jeszcze wyzszych czestotliwosci.Wynalazek zostanie wyjasniony na podstawie ry¬ sunku. Odpowiadajace sobie czesci z poszczegól- 30 nych figur oznaczane sa tymi samymi cyframi.Na fig. 1 przedstawiony jest perspektywicznie wycinek ze znanej, stabilnej termicznie linii opóz¬ niajacej, skladajacej sie z pojedynczych tarcz 1 i pierscieni 2, przylutowanych w podanej na ry- 35 sunku kolejnosci. Kazda z tarcz 1 posiada otwór 3 dla przejscia wiazki elektronowej. Poza tym tarcze 1 posiadaja otwory 4 w ksztalcie luków kolowych, za pomoca których komory rezonatorów utworzone miedzy tarczami 1 sprzezone sa ze so- 40 ba elektromagnetycznie.Linia opózniajaca z fig. 1 posiada przebieg dys¬ persji tak jak to jest przedstawione w ukladzie wspólrzednych na fig. 2. Na osi odcietych-tego ukladu naniesione sa w zwykly sposób dlugosci 45 fali, a na osi rzednych, wielkosc opóznienia. Posz¬ czególne proste ¥ = nn [n = 0,1,2] obrazuja obrót fazy fali elektromagnetycznej w falowodzie, mie¬ dzy sasiednimi scianami poprzecznymi. Linia 5 oznaczony jest przebieg dyspersji fali podstawo- 50 wej odnoszacy sie do typu fali o najwiekszej dlu¬ gosci (pierwszy zakres przepustowy) a linia 6 oznaczony jest przebieg dyspersji fali EHn two¬ rzacy drugi zakres przepustowy, przy czym kaz¬ dorazowo miedzy proste ¥ = n]~[ naniesione sa 5g odpowiednie harmoniczne.Do pracy wzmacniacza, ze wzgledów mozliwie najlepszego sprzezenia wielkiej czestotliwosci, wy¬ korzystuje sie pierwsza postepujaca harmoniczna pierwszego zakresu przepustowego. Ta harmonicz- 60 na ma przebieg odpowiadajacy krzywej 7- z srod¬ kowym punktem pracy 8, w którym obrót fazy pierwszej postepujacej harmonicznej pozostaje w dopuszczalnych granicach. Punkt pracy 8 odpo¬ wiada okreslonemu opóznieniu c/vpL, któremu 65 przyporzadkowane jest okreslone napiecie linii.56302 Wlaczenie tego napiecia oznacza, ze na osi rzed¬ nych wykresu z fig. 2 przechodzi sie z góry do dolu przez wszystkie wyzsze wartosci opóznienia c/vp az osiagnieta zostanie odpowiednia wartosc opóznienia c/vpl. Nalezy zauwazyc, ze powyzej punktu pracy 8 mozliwe byloby oddzialywanie miedzy wiazka elektronowa i polami elektryczny¬ mi prowadzonymi przez linie opózniajaca, w za¬ sadzie dla wszystkich harmonicznych róznych ty¬ pówfali. • W rzeczywistosci niebezpieczne sa tylko obszary zakreskowane przedstawione na fig. 2 nalezace do otoczenia czestotliwosci granicznej harmonicznych nizszego rzedu, które jak wiadomo moga sprzegac sie z wiazka elektronowa w stopniu wchodzacym w rachube. W tych obszarach istnieja mianowicie, ze wzgledu na przetezenia rezonansowe powodo¬ wane bledami dopasowania, tak silne pola ele¬ ktryczne, ze oddzialywanie wiazki elektronowej na harmoniczna postepujaca moze wywolac tak zwane wzbudzenie fali postepujacej a z harmo¬ niczna wsteczna tak zwane wzbudzenie fali wstecz¬ nej. Za pomoca zlokalizowanego tlumienia nie zawsze mozna uniknac wzbudzenia sie odpowied¬ nich drgan zaklócajacych* Wspomniane niebezpieczenstwo wzbudzenia sie drgan zaklócajacych nie wystepuje w lampie wzmacniajacej o fali biezacej, jezeli wedlug wy¬ nalazku zastopowac linie opózniajaca o przebiegu dyspersji przedstawionym na fig. 3.W stosunku do wykresu z fig. 2 pierwsze pasmo przepustowe jest tutaj znacznie rozszerzone wsku¬ tek przesuniecia górnej czestotliwosci granicznej w strone wyzszych czestotliwosci. Wskutek tego wiazka elektronowa nie sprzega sie silnie z fala prowadzona przez linie w poblizu prostej W = 2IX dla pradu znamionowego, gdyz impendacja sprze¬ zenia jest proporcjonalna do kwadratu dlugosci fali i dlatego przy wzroscie czestotliwosci znacz¬ nie maleje.Poza tym zwiekszeniu górnej czestotliwosci gra¬ nicznej odpowiada mniejsze opóznienie niz na fig. 2. Wartosc opóznienia powinna byc przy tym co najwysej równa opóznieniu dla dolnej czestotli¬ wosci granicznej (rezonans II). Jednoczesnie prze¬ bieg pierwszej harmonicznej jest tak dobrany, ze wartosc opóznienia w poblizu dolnej czestotliwosci granicznej najpierw silnie wzrasta i dopiero przy mniejszej dyspersji w obszarze srodkowego punktu pracy 8, jest znacznie wyzsza niz dla dolnej cze¬ stotliwosci granicznej. Z zakreskowanych obszarów widac, ze krytyczne, obszary w których moga po¬ wstac drgania polozone sa przy. wyzszych napie¬ ciach linii opózniajacej, niz napiecie robocze od¬ powiadajace punktowi8. Aby otrzymac zadany przebieg dla pierwszej harmonicznej postepujacej, wyjasniony na podsta¬ wie fig. 3, nalezy zachowac nastepujace warunki odnosnie wymiarów.Górna czestotliwosc graniczna zalezy od wew¬ netrznej srednicy linii (wewnetrzna srednica pier¬ scieni 2), przy czym zwiekszenie górnej czestotli¬ wosci granicznej oznacza zmniejszenie srednicy linii. Bez dokladnego rozwiazania zagadnienia war¬ tosci brzegowych, mozna podac jedynie przyblizo¬ na wartosc srednicy wewnetrzne). Zaklada sie wiec ze linia opózniajaca wedlug fig. 1, przy okreslonej srednicy wewnetrznej, bedzie miala tym wieksza szerokosc pasma, im silniejsze jest sprzezenie ma- 5 gnetyczne.Minimum srednicy linii okreslone jest przez ko* nieczny dla pracy bez drgan zaklócajacych stromy wzrost wartosci opóznienia pierwszej harmonicznej przy dolnej czestotliwosci granicznej. 1P Taki przebieg dyspersji jest trudny do uzyska¬ nia przy sprzezeniu komór linii wiekszym niz przez oktawe. Z tego wzgledu wedlug wynalazku przyjmuje sie, ze srednia dlugosc fali roboczej \m jest w przyblizeniu równa podwójnej E,10 rezonan- 1$ sowej dlugosci fali lQ dla ksztaltu cylindrycznego.Wynika stad, ze srednica linii opózniajacej wyno¬ si 0,3 do 0,45 sredniej dlugosci fali roboczej. Jako szczególnie korzystne okazaly sie wartosci Xm/2,61.Dla szerokosci pasma pierwszego pasma prze- 20 pustowego linii opózniajacej zada sie, aby rezo¬ nansowa dlugosc fali XQ otworu sprzegajacego 4 (fig. 1) znajdowala sie, co do swej wartosci bez¬ wzglednej, miedzy rezonansowa dlugoscia fali ro¬ boczej dla rezonansu Ewo, a srednia dlugoscia fali ^ roboczej. Wedlug wynalazku przebieg dyspersji pierwszej harmonicznej bedzie mal zadany ksztalt po obu stronach punktu pracy 8, gdy rezonansowa dlugosc fali \Q dla typu fali o najwiekszej dlu¬ gosci w przestrzeni ograniczonej dwoma sasied- 3, nimi scianami poprzecznymi (rezonans Eo10) bedzie w stosunku do rezonansowej dlugosci fali otworów sprzegajacych 4, a te ostatnie w stosunku do sredniej dlugosci fali roboczej jak 1 do 1,6 ± 0,25 do 2.J5 Jako szczególnie korzystny okazal sie przy tym stosunek 1 : 1,6 :2. Wynika stad dla otworów sprze¬ gajacych 4 srednia dlugosc szczeliny, która na ogól równa sie polowie rezonansowej dlugosci fali dla szczeliny, poczawszy od 0,4 Xm, gdy spelniony jest warunek, ze Km & 2 Xrt. 1 m — o Drugie pasmo przepustowe z wykresów na fig. 2 i 3 odpowiada fali EHn pochodzacej od rezo¬ nansu E110. Równiez typ fali HEM pochodzacy od rezonansu Hm posiada ze wzgledu na sprzezenie 4B miedzy komorami rezonatora skladowa wzdluzna E2 która moze sprzegac sie'z wiazka elektronowa.Ze znanych charakterystyk rezonatorów jest wiadomym, ze rezonans Hm moze sie w pewnych warunkach znajdowac bardzo blisko rezonansu ^ Ell0. Pasma przepustowe odpowiednich fal nakla¬ daja sie tak, ze powstaja szczególnie nieprzejrzy¬ ste warunki odnosnie samowzbudzenia sie drgan wielkiej czestotliwosci. Mozna jednak przez odpo^ wiednie dobranie stosunku promienia a komory rezonatora do jej wysokosci L przesunac rezonans Hm, a tym samym i odpowiednia fale, w zakres bardzo wielkich czestotliwosci, podczas gdy fala EHn jest niezalezna od stosunku a/L. Istnieje wte¬ dy mozliwosc oddzielenia od siebie obu wspomnia¬ nych typów fali zaklócajacej. W praktyce nalezy dazyc do tego, aby wartosc stosunku zawierala sie miedzy ]/l,2 i 10. Na przyklad przy wartosci a/L wynoszacej okolo |/z,ft uzyskuje sie górna cze¬ stotliwosc graniczna fali EHU okolo 24 GHz, a u fali HEn okolo 36 GHz, natomiast górna czestotli- 40 #056302 wtosc graniczna fali E^ (pierwsze pasmo przepusto¬ we) wynosi 12,5 GHz.Na fig. 4 przedstawiony jest przyklad wykona¬ nia lampy wzmacniajacej o fali biezacej czescior wo w przekroju, a na fig. 5 w przekroju wzdluz linii V—V z fig. 4.Linia ta sklada sie z pewnej linii pierscieni 2 i tarcz 1 wykonanych z miedzi prózniowej, które umieszczone w sprawdzianie zlutowane zostaly lutem srebrnym próznio-szczelnie. Srednica wew¬ netrzna linii 2a wynosi 16 mm. Poszczególne scia¬ ny poprzeczne 1 posiadaja otwory 3 centryczne z osia wzdluzna pierscieni 2, sluzace do przejscia wiazki elektronowej. Srednica wewnetrzna tych otworów 3 wynosi 5 mm. Otwór sprzegajacy 4 ma ksztalt luku pólkolistego, który u swej podstawy rozciaga sie promieniowo w ksztalcie szczeliny na zewnatrz, az do wewnetrznej sciany falowodu utworzonego z pierscieni 2.Tepromieniowo przebiegajace rozszerzenia otwo¬ rów 4 sluza do umieszczenia w nich podluznych elementów tlumiacych. Otwory sprzegajace 4 w kolejno po sobie nastepujacych scianach poprzecz¬ nych (tarcze 1) falowodu sa przesuniete na prze¬ mian o 180° wzgledem siebie, przez co uzyskuje sie dla opornosci sprzegajacej szczególnie ko¬ rzystny stosunek parametrów toru L/C. Szerokosc otworów sprzegajacych 4 lacznie z promieniowymi, szczelinowymi rozszerzeniami, wynosi w srodku 2 mm, podczas gdy wewnetrzny promien pólkoli¬ stego otworu sprzegajacego wynosi 7,2 mm. Sred¬ nia dlugosc szczeliny odpowiadajaca polowie dlu¬ gosci fali rezonansowej otworów 4, wynosi wtedy okolo 20 mm.Dlugosc fali rezonansowej otworów sprzegaja¬ cych 4 zalezy równiez od glebokosci' otworów sprzegajacych. Wplyw glebokosci otworów sprze¬ gajacych na dlugosci ich fali rezonansowej mozna jednak pominac o ile sciany poprzeczne sa stosun¬ kowo cienkie, do czego zwykle dazy sie ze wzgle¬ du na wielkie czestotliwosci. Grubosc scian po¬ przecznych 1 wynosi tu 1,1 mm.Jedynie w obszarze otworów 3 stanowiacych przejscie dla wiazki elektronowej tarcze sa grub¬ sze tak, ze po obu stronach tarcz 1 utworzone jest pierscieniowe zgrubienie 9 otaczajace wspólosio¬ wo otwór 3. To zgrubienie 9 wystaje na 1,1 mm od sciany poprzecznej o grubosci równiez 1,1 mm.Odleglosc dwóch sasiednich scian poprzecznych wynosi 5,4 mm. Linia opózniajaca przedstawiona na fig. 4 i 5 o opisanych wymiarach, posiada gór¬ na czestotliwosc graniczna 12,5 GHz. Zakres robo¬ czy znajduje sie miedzy 5,9 GHz a 6,4 GHz. Pierw¬ sza postepujaca harmoniczna fali E^, ma przydym taki przebieg, ze isamowzbudzenie z fala podsta¬ wowa mozliwe jest dopiero przy napieciach linii wiekszych o 10% od najwyzszego napiecia robo¬ czego linii.Poza tym lampa z taka linia, moze byc bardzo szybko zalaczana i wylaczana za pomoca lacznika uruchamianego przyciskiem. Maksymalny czas za¬ laczania a tym samym czas przerwy przy awariach zalezy wtedy tylko od urzadzen zasilajacych.Wynalazek nie ogranicza sie tylko do przedsta¬ wionego konkretnego przykladu wykonania. W szczególnosci nie jest konieczne, aby otwory sprze¬ gajace byly zawsze przesuniete wzgledem siebie o 180°. Poza tym linia opózniajaca nie musi byc symetryczna wzgledem osi obrotu, lecz moze po^ 5 siadac przekrój poprzeczny prostokatny, w szcze- ogólnosci kwadratowy. Przy zalozeniu kwadrato¬ wego przekroju poprzecznego warunek na srednice wewnetrzna linii wynoszacy 0,3 do 0,45 sredniej dlugosci fali roboczej nalezy zastapic przez wa- 10 runek okreslajacy, ze obwód wewnetrzny falowodu powinien wynosic j/ 2 sredniej dlugosci fali robo¬ czej. 15 20 PL