DE1015546B

DE1015546B - Wanderfeldroehre zur Erzeugung sehr kurzer Wellen mit einer Verzoegerungsleitung fuer raeumlich harmonische Betriebsweise

Info

Publication number: DE1015546B
Application number: DEC10968A
Authority: DE
Inventors: Daniel Charles; Bernard Epsztein
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1954-03-25
Filing date: 1955-03-24
Publication date: 1957-09-12
Also published as: US2911556A; FR1101805A; GB773708A; NL222966A

Description

Es sindi Rückwärtswellenoszillatoreo mit weitern elektronischem Abstimmbereich bekannt, bei denen vom Energieübergang zwischen einem Elektronenstrahl und einer in einer Verzögerungsleitung mit periodischer Struktur sich fortpflanzenden elektromagnetischen Welle Gebrauch gemacht wird. Hierbei geschieht der Energieübergang durch Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer negativen Raumharmonischen (Teilwelle), d. h. einer Raumharmonischen mit einer Phasengeschwindigkeit, deren Richtung derjenigen der Gruppengesehwinddgkeit der Welle (Energieausbreitung) entgegengesetzt ist. Bekanntlich werden in solchen Oszillatoren bei einer genügenden Strahlstromstärke Schwingungen angeregt und aufrechterhalten.

Die Schwingungsfrequenz eines solchen Oszillators kann eingestellt werden, indem man die Gleichspannung zwischen der Kathode und der Verzögerungsleitung entsprechend; einregelt. Je höher die zu erzielende Frequenz ist, desto höher muß die Gleichspannung gewählt werden. Infolgedessen ist die der Röhre zugeführte Gleichstromleistung, die dieser Spannung proportional ist, innerhalb des Frequenzbandes, in dem Schwingungen erzeugt werden, sehr stark veränderlich. Daher ist auch die abgegebene Höchstfrequenzleistung selbst stark veränderlich. Sie kann im Verhältnis von etwa 10 :1 schwanken, was bei gewissen Anwendungen des Oszillators unerwünscht sein. kann.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator der erwähnten Art, bei dem die Ausgangsleistung im ganzen Frequenzband, ungefähr konstant ist.

Der erfindungsgemäße Rückwärtswellenoszillator besteht im wesentlichen aus einer Verzögerungsleitung für räumlich harmonische Betriebsweise und ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander entgegengesetzt gerichtete Elektronenstrahlen verwendet werden, deren Geschwindigkeiten so gewählt sind, daß sie mit zwei Teilwellen (Raumharmonischen) der längs der Verzögerungsleitung angeregten elektromagnetischen Welle in Wechselwirkung treten, derart, daß der eine (erste) Elektronenstrahl mit der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle ein Rückwärtswellenoszillatorsystem bildet (Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer negativen Teilwelle der elektromagnetischen Welle) und der andere (zweite) Elektronenstrahl mit der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle ein Vorwärtswellenverstärkersystem darstellt (Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer positiven Teilwelle der elektromagnetischen Welle).

Demnach enthält der erfindungsgemäße Oszillator ein erstes System, das im wesentlichen aus dem ersten

Wanderfeldröhre zur Erzeugung

sehr kurzer Wellen mit einer

Verzögerungsleitung für räumlich

harmonische Betriebsweise

Anmelder:

Compagnie Generale de Telegraphie
sans FiI, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
Gräfelfing bei München, Aribostr. 14

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 25. März 1954

Daniel Charles und Bernard Epsztein, Paris,
sind als Erfinder genannt worden

Elektronenstrahl und der Verzögerungsleitung besteht, und ein zweites System, das im wesentlichen aus dem zweiten Elektronenstrahl und derselben Verzögerungsleitung besteht. Beide Systeme arbeiten auf einen gemeinsamen Ausgang. Das erste System wirkt als RückwärtswellenO'Szillator. Wie weiter unten gezeigt wird, wächst die abgegebene Leistung dieses Oszillatorsystems, wenn die Ausgangsfrequenz steigt und umgekehrt. Das zweite System wirkt als bekanntes Wanderfeldverstärkersystem, das die vom Oszillatorsystem angefachte Schwingung verstärkt.

Bekanntlich ändert sich der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkersystems umgekehrt proportional zur Ausgangsfrequenz. Infolgedessen ist die abgegebene Leistung der erfindungsgemäßen Röhre im wesentlichen unabhängig von der Arbeitsfrequenz.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Hierin zeigen

Fig. 1 und 2 einen Längs- und Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röhre,

Fig. 3 a und 3 b Dispersionskurven der verwendeten Verzögerunsleitung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röhre und

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Fig. 5 und 6 einen Längs- und Querschnitt durch eine erfmdungsgemäße Röhre mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 besitzt die Röhre einen Metallkolben 1 und zwei Elektronenstrahlerzeuger 2 und 3, die zwei parallele Elektronenstrahlen 4 und 5 in entgegengesetzter Richtung aussenden. Am Ende ihrer Bahn werden die Elektronen durch die Sammelelektroden 6 bzw. 7 aufgefangen. Eine Verzögerungsleitung, z. B. eine Leitung 8 mit ineinandergreifenden Gliedern 9 und 10, die jeweils an den Seitenwänden des Kolbens 1 befestigt sind,, bestimmt mit der Unterseite bzw. Oberseite des letzteren zwei Räume 11 und 12, in welchen sich die Strahlen 4 und 5 ausbreiten. In der Nähe des Elektronenstrahlerzeugers 2 ist die Verzögerungsleitung 8 mit einer Auskoppelvorrichtung versehen, die z. B. als koaxiale Leitung 13 ausgebildet sein kann und seitlich an dem Kolben angebracht ist, um die Bahn des Elektronenstrahls 5 nicht zu stören. Eine Dämpfungsvorrichtung 16, die beispielsweise aus einem verlustreichen Material (Aquadag) besteht, ist am einen Endteil der Verzögerungsleitung 8 angeordnet, um innerhalb des gewünschten breiten Frequenzbandes die Wellen mit einer Gruppengeschwindigkeit in Richtung des Strahls 4 (entstanden z. B. durch Reflexion infolge einer möglichen Fehlanpassung der Last an dem Ausgang 13) zu absorbieren. Der Kolben 1 mit den Sammelelektroden 6 und 7, die Verzögerungsleitung 8 und die Beschleunigungsanoden der Elektronenstrahlerzeuger 2 und 3 können geerdet sein, während die anderen Elektroden der Elektronenstrahlerzeuger auf geeignetem negativem Potential liegen. Diese Spannungen können beispielsweise von entsprechenden Gleichspannungsquellen 18 und 19 durch die Glasdurchführungen 14 und 15 zugeführt werden. In der dargestellten Ausführungsform erzeugt eine Spule 17 ein zur Fokussierung dienendes magnetisches Längsfeld in bekannter Weise.

Um die Arbeitsweise dieser Röhre zu verstehen, sei zunächst Fig. 3 a betrachtet, in der eine Dispersionskurve der Verzögerungsleitung 8 für das in der Nähe ihrer longitudinalen Mittelebene sich ausbildende Wellenfeld der längs der Verzögerungsleitung sich fortpflanzenden Höchstfrequenzenergie dargestellt ist. Bekanntlich gibt eine Dispersionskurve das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit c und der Phasengeschwindigkeit ν von Teilwellen als Funktion der Wellenlänge 2 im freien Raum wieder. Es ist bekannt, daß solche Kurven aus einer Mehrzahl von Zweigen bestehen, die abwechselnd positiven und negativen Teilwellen entsprechen, d. h. Teilwellen, die sich in gleicher bzw. entgegengesetzter Richtung wie die Energie in der Verzögerungsleitung ausbreiten. Im Falle der longitudinalen Mittelebene einer Leitung mit ineinandergreifenden Gliedern entspricht der erste Zweig A₁B₁, der ausgezogen dargestellt ist, der Grundwelle, die eine negative Teilwelle ist. Der gestrichelt dargestellte zweite Zweig A₂B₂ entspricht der ersten Teilwelle, die eine positive Teilwelle ist.

Die erfindungsgemäße Röhre arbeitet folgendermaßen : Die Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 2 wird durch die Spannungsquelle 18 auf ein so· hohes negatives Potential gegenüber ihrer Beschleunigungsanode gebracht, daß die Geschwindigkeit des Strahls 4 gleich der Phasengesehwindigkeit V₁ einer negativen Teilwelle, beispielsweise der Grundwelle, wird, welche dem ausgezogenen Ast A₁B₁ aus Fig. 3 a entspricht. Wenn der Strahlstrom imStrahl 4 genügend groß ist, treten in der Verzögerungsleitung 8 Schwingungen mit einer Wellenlänge^ auf, welche dem erwähnten

Wert — entspricht. Die Frequenz der bei 13 abgenom-

menen Ausgangsenergie wird in bekannter Weise durch die Spannungsquelle 18 eingestellt.

Ferner wird die Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 3 mit Hilfe der Spannungsquelle 19 auf ein so hohes negatives Potential gegen ihre Beschleunigungsanode gebracht, daß der Strahl 5 sich mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die gleich der Phasengesehwindigkeit V₂ einer positiven Teilwelle der erzeugten Welle ist, beispielsweise gleich der ersten Teilwelle, welche dem gestrichelten Ast A₂B₂ in

Fig. 3 a entspricht. Wenn also die bei 13 abgenommene Energie die Wellenlänge X₁ aufweist, muß die Geschwindigkeit des Strahls 5 zu V₂ gewählt werden. Die Wechselwirkung des Strahls 5 mit der längs der Verzögerungsleitung 8 fortschreitenden Welle ergibt eine Verstärkung in gleicher Weise wie bei den bekannten Wanderfeldverstärkern.

Aus Fig. 3 a kann entnommen werden, daß bei einer gewünschten Änderung der Ausgangsfrequenz, so daß z. B. die Wellenlänge sich von X₁ nach X₂ ändert, die Strahlgeschwindigkeit und demgemäß die Spannung zwischen Kathode und Beschleunigungsanode des Elektronenstrahlerzeugers 2 erheblich geändert werden muß. Wenn also der Strahl 5 nicht vorhanden wäre, ergäbe sich die Ausgangsenergie des Schwingungserzeugungssystems, das aus der Verzögerungsleitung 8 und dem Elektronenstrahl 4 besteht, als eine wachsende Funktion der Frequenz.

Nun vermindert sich bekanntlich in einem Wanderfeldverstärker, wie er durch den Elektronenstrahl 5 und die Verzögerungsleitung 8 gebildet wird, die Verstärkung je Längeneinheit, wenn die Frequenz zunimmt. Diese beiden Effekte kompensieren sich gegenseitig. Versuche haben gezeigt, daß die Ausgangsleistung der Röhre im wesentlichen unabhängig von der Frequenz ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß der in Fig. 3 a gezeigte gestrichelte Ast kaum von einer horizontalen Geraden abweicht. Dies zeigt, daß bei einer Verzögerungsleitung mit der dargestellten Dispersionskurve die entsprechende Teilwelle sich mit einer Phasengesehwindigkeit V₂ ausbreitet, die im wesentlichen unabhängig von der Frequenz ist. Demgemäß kann die Geschwindigkeit des Strahls 5 und also auch die zwischen Beschleunigungsanode und Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 3 angelegte Spannung im wesentlichen konstant gewählt und ein für allemal festgelegt werden.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform beschränkt, so könnte eine andere Verzögerungsleitung als eine solche mit ineinandergreifenden Gliedern verwendet werden. Ferner kann die Leitung mit ineinandergreifenden Gliedern in anderer als der beschriebenen Weise eingesetzt werden.

Aus der Untersuchung der Verzögerungsleitung mit ineinandergreifenden Gliedern ergibt sich, daß in jeder Längsschnittebene einer solchen Leitung parallel zur Mittelebene und in genügender Entfernung von dieser Mittelebene die in. Fig. 3 b dargestellte Dispersionskurve Gestalt annimmt. Die in solchen Ebenen fortgepflanzte Welle enthält eine positive Grundwelle, deren Phasengesehwindigkeit im Vorzeichen mit der Gruppengeschwindigkeit der Energiefortpflanzung übereinstimmt (ausgezogener Kurventeil), sowie eine negative erste Teilwelle (gestrichelter Kurventeil).

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch eine andere erfindungsgemäße Röhre dargestellt, in der von dieser Eigenschaft Gebrauch gemacht wird. Der Elektronenstrahl 4 tritt mit der Grundwelle in Wechselwirkung, die sich gemäß der ausgezogenen Dispersionskurve in Fig. 3 a wie in Fig. 2 in der Mittelzone der Verzögerungsleitung 8 ausbreitet. Der Strahl 5 ist hier jedoch durch zwei Flachstrahlen S' und 5" ersetzt, die sich außerhalb der Mittelebene der Leitung befinden und darum in Wechselwirkung mit Teilwellen treten, die sich gemäß dem ausgezogenen Teil der Dispersionskurve nach Fig. 3 b ausbreiten. Die Geschwindigkeiten dieser Strahlen sind so eingestellt, daß sie mit den in diesen Seitenzonen der Leitung herrschenden Grundwellen in Wechselwirkung treten, d. h, mit Teilwellen, deren Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit dasselbe Vorzeichen aufweisen. Die Ausgangsleitung 13 befindet sich in der Mittelebene der Röhre, wo sie die Strahlen 5' und 5" nicht stört. Diese Elektronenstrahlen werden durch zwei Elektronenstrahlerzeuger ausgesandt, die ebenso aufgebaut sein können wie die Elektronenstrahlerzeuger nach Fig. 1.

Die Arbeitsweise dieser Röhre entspricht derjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform. Der Oszillatorteil der Röhre besteht aus der Verzögerungsleitung 8 und dem Strahl 4, während der Verstärkerteil von der Verzögerungsleitung 8 und den Strahlen 5' und 5" gebildet wird.

Die Erfindung ist nicht auf Röhren mit fokussierendem magnetischem Längsfeld beschränkt, wie es durch die Spule 17 hervorgerufen wird. Auch auf Röhren der Magnetronart, d. h. mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern, ist die Erfindung anwendbar. Eine solche Röhre ist in Fig. 5 und 6 dargestellt.

Diese Röhre unterscheidet sich von der Röhre nach Fig. 1 und 2 nur durch die Abwesenheit der Fokussierungsspule 17 und die Anwesenheit der zwei gegenüber der Verzögerungsleitung negativen Elektroden 20 und 21, die zu beiden Seiten der Verzögerungsleitung 8 parallel zu derselben angeordnet sind. Die •von den Spannungsquellen 18 bzw. 19 gelieferten Spannungen werden zwischen der Verzögerungsleitung 8 und den Elektroden 20 bzw. 21 angelegt. Die letzteren sind negativ gegen die Verzögerungsleitung 8 vorgespannt. In den beiden durch die Verzögerungsleitung 8 und die Elektrode 20 bzw. 21 begrenzten Räumen 11 und 12 wird ein magnetisches Querfeld durch die in Fig. 6 gezeigten Magnetpole 22 und 23 erzeugt. Der von der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 2 erzeugte Elektronenstrahl 4 breitet sich im Raum 11 senkrecht zu den in diesem Raum herrschenden gekreuzten magnetischen und elektrischen Feldern aus. Der von der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 3 erzeugte Elektronenstrahl S breitet sich ebenso im Raum 12 zwischen der Elektrode 21 und der Verzögerungsleitung 8 aus. Die Wirkungsweise der Röhre nach Fig. 5 und 6 entspricht genau derjenigen der Röhren, wie sie an Hand der früheren Figuren beschrieben wurden.

Claims

Patentansprüche

1. Wanderfeldröhre zur Erzeugung sehr kurzer Wellen mit einer Verzögerungsleitung für räumlich harmonische Betriebsweise, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander entgegengesetzt gerichtete Elektronenstrahlen verwendet werden, deren Geschwindigkeiten, so gewählt sind, daß sie mit zwei Teilwellen (Raumharmonischen) der längs der Verzögerungsleitung angeregten elektromagnetischen Welle in Wechselwirkung treten, derart, daß der eine (erste) Elektronenstrahl mit der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle ein Rückwärtswellenoszillatorsystem bildet (Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer negativen Teilwelle der elektromagnetischen Welle) und der andere (zweite) Elektronenstrahl mit der längs der Verzögerungsleitung fortschreitenden elektromagnetischen Welle ein Vorwärtswellenverstärkersystem darstellt (Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und einer positiven Teilwelle der elektromagnetischen Welle).

2. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektronenstrahlen durch die Verzögerungsleitung voneinander getrennt sind.

3. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung mit einem Dämpfungsglied am einen Ende und dem Ausgang zur Abnahme der Schwingungsenergie am anderen Ende versehen ist.

4. Wanderfeldröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung von periodischer Struktur ist.

5. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstimmung der Röhre die Geschwindigkeit des ersten Elektronenstrahles geändert wird, während, die Geschwindigkeit des zweiten Elektronenstrahles konstant ist.

6. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung derart ausgebildet ist, daß ihre Dispersionskurven einen Ast aufweisen, der einer negativen Grundwelle entspricht, sowie einen im wesentlichen horizontal verlaufenden Ast, der einer positiven ersten Teilwelle entspricht.

7. Wanderfeldröhre nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektronenstrahlen im Bereich der Mitte der Verzögerungsleitung längs derselben verlaufen und daß die am Ende der Verzögerungsleitung angeschlossene Ausgangsleitung seitlich des von den Elektronenstrahlen überstrichenen Bereichs mit der Verzögerungsleitung verbunden ist.

8. Wanderfeldröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung als Leitung mit ineinandergreifenden Gliedern ausgebildet ist, daß der erste Elektronenstrahl im Bereich der Mitte der Verzögerungsleitung längs derselben verläuft, während der zweite Elektronenstrahl in zwei Teile aufgespalten ist, die symmetrisch zur Mitte der Verzögerungsleitung nahe deren Rändern längs derselben verlaufen, und daß die am Ende der Verzögerungsleitung angeschlossene Ausgangsleitung im Bereich der Mitte der Verzögerungsleitung an diese angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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