DE1566030C2 - Verstärker-Laufzeitröhre - Google Patents

Description

Es ist eine Verstärker-Laufzeitröhre mit linearem Elektronenstrahl, insbesondere Klystron bekannt, bestehend aus einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, einem Elektronenstrahlauffänger und einer zwischen diesen angeordneten Wechselwirkungsstrecke zur Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls und zur Auskopplung der HF-Energie vom Elektronenstrahl, die wenigstens einen Leitungsresonanzkreis enthält, in welchem sich stehende Wellen ausbilden und der aus einer Anzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Hohlraumresonatoren besteht, die über Spalte mit dem Elektronenstrahl gekoppelt sind und so bemessen sind, daß die elektrischen HF-Felder benachbarter Spalte eine Phasenverschiebung von im wesentlichen ganzzahligen Vielfachen von π aufweisen (verlängerter Wechselwirkungsteil) (IEEE Transactions on Electron Devices, Mai 1963, S. 201 bis 211, und August 1964, S. 369 bis 373). Bei dieser bekannten Laufzeitröhre wurden geradzahlige Vielfache von π verwendet.

Es ist ferner eine Klystronverstärkerröhre bekannt, bei der die Wechselwirkungsstrecke einen Resonanzhohlraum mit mehreren Spalten aufweist, in denen die elektrischen Felder jeweils entgegengesetzt gerichtet sind, mit anderen Worten die Phasenverschiebung der Felder benachbarter Spalte π beträgt (FR-PS 14 59 636). Mit dieser Anordnung des Wechselwirkungsspaltes sollte eine Alternative für einen verlängerten Wechselwirkungsteil mit mehreren Hohlraumresonatoren geschaffen werden. Bei einem Versuch wurde die angestrebte gleichmäßige Energieverteilung auf die einzelnen Wechselwirkungsspalte jedoch nicht erzielt Bei einem Leitungsresonanzkreis mit mehreren Hohlraumresonatoren sind die beiden Hohlraumresonatoren an den Enden jeweils nur an einer Seite mit der Induktivität der Koppelschlitze belastet, so daß sich bei gleichen Abmessungen aller Hohlräume eine Verstimmung der beiden End-Hohlraumresonatoren gegenüber den übrigen Hohlraumresonatoren ergibt. Die HF-Felder in diesen End-Hohlraumresonatoren sind dann schwächer als die Felder in den übrigen Hohlräumen, so daß sich eine ungleichmäßige Leistungsverteilung über den Leitungsresonanzkreis ergibt. Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden gemäß der Erfindung die im ; kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten ; Maßnahmen durchgeführt.

Die gleichmäßige Leistungsverteilung kann noch verbessert werden, wenn die Hohlraumresonatoren so bemessen werden, daß das Verhältnis R/Q für alle Hohlraumresonatoren im wesentlichen gleich ist, wobei R der Resonanzwiderstand und Q die Güte der Hohlraumresonatoren ist.

Vorzugsweise bildet der verlängerte Wechselwirkungsteil nach der Erfindung in bekannter Weise den Auskopplungsteil der Wechselwirkungsstrecke.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 ein Klystron, bei dem der Auskopplungsteil der Wechselwirkungsstrecke geschnitten ist,

F i g. 2 ein ω-0-Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Phasenverschiebung,

Fig.3 graphisch die Größe und Richtung des elektrischen Feldes über dem Spalt in jedem Hohlraum der Leitung nach F i g. I mit kompensierten Endhohl- | räumen im Vergleich zur Größe des elektrischen Feldes ; über dem Spalt in jedem Hohlraum einer Leitung aus j gekoppelten Hohlräumen ohne kompensierte Endhohlräume und

Fig.4 schematisch die Hohlräume und ihre Resonanzfrequenzen vor ihrer gegenseitigen Kopplung zur Struktur aus gekoppelten Hohlräumen gemäß F i g. 1.

Ein in F i g. 1 dargestelltes Klystron 10 weist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 12, eine Wechselwirkungsstrecke 14 und einen Kollektor 16 auf. Der Elektronenstrahl wird durch eine Reihe Driftröhren 18, 20 und 22 projiziert Der Eingangshohlraum 24 ist zwischen Driftröhren 18 und 20 montiert und enthält eine Eingangsschleife als Teil eines Eingangskopplers 26. Gewünschtenfalls ist ein zusätzlicher Hohlraum 28 zwischen die Driftröhren 20 und 22 montiert Tuner 30 und 32 sind für den Eingangshohlraum 24 bzw. den Bündelungshohlraum 28 vorgesehen. Ersichtlich können entweder der Eingangshohlraum 24 oder der zusätzliche Bündelungshohlraum 28 fest abgestimmte Hohlräume

sein, so daß die Tuner 30 und 32 nicht mehr benötigt werden.

Ein Ausgangshohlraum 34 ist zwischen dem Kollektor 16 und dem zusätzlichen Bündelungshohlraum 28 montiert. Der Ausgangshohlraum 34 ist als Leitungsresonanzkreis, in dem sich stehende Wellen bilden, also als sogenannter verlängerter Wechselwirkungsteil, ausgebildet Es handelt sich um eine Struktur aus gekoppelten Hohlräumen, bei der im dargestellten Falle vier kleinere Hohlräume innerhalb der vorzugsweise rohrförmigen, elektrisch leitenden Wand 36 angeordnet sind, die die äußere Grenze des Ausgangshohlraums 34 bildet. Die vier kleineren Hohlräume, die innerhalb des gekoppelten Ausgangshohlraums 34 angeordnet sind, werden mit Hilfe von drei mit öffnungen versehenen elektrisch leitenden Metallscheiben 38, 40 und 42 gebildet, die zwischen zwei Endwänden 35 angeordnet sind, die die reflektierenden Endwände des zusammengesetzten Hohlraumresonators 34 bilden. Ein erster Wechselwirkungsspalt 44 ist zwischen der mit öffnungen versehenen Metallscheibe 38 und einem konisch geformten Driftröhrenende 46 der Driftröhre 22 angeordnet Ein zweiter Wechselwirkungsspalt 48 ist zwischen den mit öffnungen versehenen Metallscheiben 38 und 40 angeordnet. Ein dritter Wechselwirkungsspalt 50 ist zwischen den mit öffnungen versehenen Metallscheiben 40 und 42 gebildet und ein vierter Wechselwirkungsspalt 52 zwischen der mit öffnungen versehenen Metallscheibe 42 und einem konisch geformten Ende der Driftröhre 54. Der verbrauchte Elektronenstrahl läuft durch die Driftröhre 56 in den Kollektor 16, nachdem er einen großen Teil seiner Energie in den vom Ausgangshohlraum 34 gebildeten Auskopplungsteii abgegeben hat.

Hochfrequenzenergie wird vom Auskopplungsteil durch den vorletzten Hohlraum abgezogen, der den Wechselwirkungsspalt 50 enthält, und zwar in den Ausgangshohlleiter 58 und dann durch ein Fenster 60 an eine nicht dargestellte Last. Eine geeignete Blende 57 in der Wand 36 ist zwischen den mit öffnungen versehenen Platten 40 und 42 angeordnet, so daß Energie vom vorletzten Hohlraum in den Ausgangshohlleiter 58 gekoppelt werden kann. Kompensationseinrichtungen sind im vorletzten Hohlraum vorgesehen, um die elektrische Verzerrung durch die Blende 57 zu kompensieren. Bei dieser Ausführungsform sind zur Kompensation drei in Längsrichtung verlaufende Rippen 59 vorgesehen. Die Rippen 59 bestehen aus elektrisch leitendem Werkstoff und sind zwischen den mit öffnungen versehenen Metallscheiben 40 und 42 angeordnet

In F i g. 2 ist ein ω-0-Diagramm dargestellt, das die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Phasenverschiebung der gekoppelten Hohlräume zeigt, wobei der Fall der Fig. 1, nämlich vier zu einem verlängerten Wechselwirkungsteil gekoppelter Hohlräume, betrachtet wird. Die Ordinate des Dispersionsdiagramms ist die Frequenz, und die Abszisse des Diagramms ist die Phasenverschiebung mal Periode P, wobei eine Periode der Abstand zwischen der Mitte eines einem der gekoppelten Hohlräume zugeordneten Wechselwirkungsspaltes zur Mitte des Wechselwirkungsspaltes ist, der einem benachbarten gekoppelten Hohlraum zugeordnet ist.

Der verlängerte Wechselwirkungsteil 34 aus gekoppelten Hohlräumen hat eine Dispersionskurve 200 gemäß Fig.2, die ähnlich der ist einer ähnlichen Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen, nur daß durch das Vorhandensein der reflektierenden Endwände 35 des zusammengesetzten Hohlraums die Dispersionskurve diskontinuierlich ist. Genauer gesagt, die Kurve 200 hat diskrete Arbeitspunkte, die durch die vertikalen Linien angedeutet sind, entsprechend Frequenzen, die es ermöglichen, daß eine ganzzahlige Anzahl von Phasenverschiebungen um eine halbe Wellenlänge längs der Leitung zwischen den reflektierenden Wänden 35 auftritt. Wenn also eine Anzahl η gekoppelter Hohlräume vorhanden ist, ergibt sich eine Anzahl π von Resonanzmodi pro Raumharmonischer der Leitung. Diese Resonanzmodi sind in F i g. 2 mit N, N-\, N-2, Λ/-3 usw. bezeichnet worden.

Die geradzahligen oberen Grenzmodi M, M... usw., entsprechend 2π, Λπ... usw. Phasenverschiebungen pro Periode, haben elektrische Resonanzfelder gleicher Amplitude und gleicher Phase, d. h., das elektrische Feld zeigt in allen gekoppelten Hohlräumen in die gleiche Richtung (periodischen Elementen des zusammengesetzten Resonators). Der N2- oder 2jr-Modus wurde in der bekannten Laufzeitröhre verwendet. Dieser wurde so eingestellt, daß er nahezu synchron mit der Strahlgeschwindigkeit Vj des Elektronenstrahls in Wechselwirkung trat. Es zeigte sich, daß dieser zweite raumharmonische Betriebsmodus eine kleinere Wechselwirkungs-Impedanz hat als der raumharmonische jr-Modus Λ/ι der Grundwelle niederer Ordnung.

Ein Betrieb im Modus N\ mit einer höheren Strahlgeschwindigkeit Vi ergibt eine stärkere elektronische Wechselwirkung, so daß sich besserer Wirkungsgrad und bessere Bandbreite der Röhre ergeben. Allgemein gesprochen, je höher die Ordnung der Raumharmonischen ist, um so geringer ist die elektronische Wechselwirkung. Deshalb ist ein Betrieb in der Raumharmonischen niedrigster Ordnung vorzuziehen, die sich mit der Leistungsbelastbarkeit der Leitung verträgt.

Falls eine niedrigere Strahlspannung, beispielsweise V3 oder niedriger, erwünscht ist, kann es erforderlich sein, im Modus Λ/3, d.h. im 3jr-Modus, oder sogar in Modi höherer Ordnung, beispielsweise 5π usw., zu arbeiten, aber ein solcher Betrieb in Raumharmonischen höherer Ordnung führt zu verringertem Wirkungsgrad und/oder kleinerer Bandbreite, verglichen mit dem raumharmonischen Grenz-Resonanzmodus N\ der Grundschwingung.

Was den Betrieb beim Modus ω_ρ bei der unteren Grenzfrequenz Ni, M ... usw. der elektronischen Wechselwirkung des zusammengesetzten Hohlraums betrifft, so entspricht dieser Modus der Resonanz der einzelnen Hohlräume nach Störung oder Belastung durch die Kopplung zwischen den benachbarten Hohlräumen. Ersichtlich haben die End-Hohlräume des zusammengesetzten Hohlraums 34 nur die halbe Anzahl Koppeleinrichtungen, da nur eine Endwand gekoppelt wird, während die dazwischenliegenden Hohlräume in beiden Endwänden Koppeleinrichtungen aufweisen. Demzufolge werden die End-Hohlräume für den gestörten oder unteren Grenzfrequenz-Resonanzmodus weniger gestört oder verstimmt als die Zwischenhohlräume. Die Resonanzfrequenz würde ω_β auf dem ü)-j3-Diagramm der Fig.2 entsprechen, während die Zwischenhohlräume bei ω_ρ in Resonanz kommen. Wenn also in ungeradzahligen jr-Modi (N\, N3, M ··· usw.) gearbeitet wird, sind die End-Hohlräume gegen die Frequenz der Zwischenhohlräume verstimmt, so daß sich schwächere elektrische Hochfrequenzfelder ergeben, wie durch die unterbrochenen Linien in Fig.3

angedeutet ist. Das ist unerwünscht, weil die Energieverteilung des zusammengesetzten Hohlraums nicht gleichförmig ist und darüber hinaus eine kleinere als die optimale Wechselwirkungs-Impedanz für eine gegebene Anzahl von Zellen erreicht wird, und zwar wegen der schwächeren Felder in den End-Hohlräumen.

Die End-Hohlräume der verlängerten Wechselwirkungs-Sektion 34 gemäß Fig. 1 sind deshalb so bemessen, daß ihre Resonanzfrequenz (o_e (Punkt 202 in Fig.2) im ungekoppelten Zustand im wesentlichen gleich dem Mittelwert zwischen den Resonanzfrequenzen entsprechend dem OModus (Punkt 201) und dem jr-Modus (Punkt 203) der vollständigen Strecke 34 aus gekoppelten Hohlräumen ist. Die inneren Hohlräume des verlängerten Wechselwirkungsteils gemäß Fig. 1 sind so bemessen, daß sie im ungekoppelten Zustand eine Resonanzfrequenz ω_ο(Punkt 201 der F i g. 2) haben, der dem 2jr-Modus der elektronischen Wechselwirkung (Punkt 201) der vollständigen Struktur 34 aus gekoppelten Hohlräumen entspricht. Wenn die Hohlräume, die den verlängerten Wechselwirkungsteil 34 bilden, so bemessen werden, können alle Hohlräume der vollständigen Sektion 34 aus gekoppelten Hohlräumen eine gestörte Resonanzfrequenz ω_ρ entsprechend Punkt 203 ' haben. Die Hochfrequenzfelder haben dann in jedem der Hohlräume gleiche Amplitude, so daß sich eine gleichförmige Energieverteilung und ein höherer Wirkungsgrad und eine bessere Bandbreite ergeben.

Wenn die verlängerte Wechselwirkungs-Sektion 34 aus vier gekoppelten Hohlräumen gemäß F i g. 1 im ungeradzahligen πτ-Modus arbeitet, ist das elektrische Hochfrequenzfeld über jeden Wechselwirkungsspalt 44, 48, 50 und 52 von gleicher Größe, jedoch entgegengesetzt zum elektrischen Hochfrequenzfeld im benachbarten Spalt gerichtet, wie das in Fig.3 durch die durchgezogene Kurve veranschaulicht ist, die das elektrische Hochfrequenzfeld über jedem Wechselwirkungsspalt für den Fall darstellt, daß die verlängerte Wechselwirkungs-Sektion 34 im ungeradzahligen jr-Modus arbeitet. Das heißt, die Phasenverschiebung zwischen jedem Spalt ist jrrad.

Bei einem Wechselwirkungsteil 34 aus drei gekoppelten Hohlräumen haben die äußeren Hohlräume im ungekoppelten Zustand eine Resonanzfrequenz ω₍ (Punkt 202 in Fig.2) und der innere Hohlraum eine Resonanzfrequenz ω_ο im ungekoppelten Zustand entsprechend dem O- oder 2^-Modus (Punkt 201 in F i g. 4). Dann kann der ganze verlängerte Wechselwirkungsteil aus drei gekoppelten Hohlräumen im ungeradzahligen Modus arbeiten, wie in Verbindung mit F i g. 1 erläutert ist.

Wie aus Fig.3 ersichtlich ist, haben die axialen elektrischen Hochfrequenzfelder über den Wechselwirkungsspalten in den Endhohlräumen entgegengesetztes Vorzeichen, aber gleiche Größe wie die axialen elektrischen Hochfrequenzfelder über den Wechselwirkungsspalten benachbarter Hohlräume, und zusätzlich sind die Verhältnisse R/Q für jeden Hohlraum gleich.

Verlängerte Wechselwirkungsteile, wie sie oben beschrieben worden sind, haben als Auskopplungsteile einen Wirkungsgrad von über 60%, d. h., sie ziehen mehr als 60% der Elektronenstrahlleistung heraus. Auch die Bandbreite solcher verlängerter Wechselwirkungsteile ist um einen Faktor von 2 bis 5 größer als in bekannten Röhren. Ersichtlich kann also die Gesamt-Bandbreite eines Klystrons um einen Faktor von 2 bis 5 vergrößert werden, wenn die Einkopplungs- und Auskopplungsteile als verlängerte Wechselwirkungsteile ausgebildet werden. Weiterhin verringert die Verwendung eines verlängerten Wechselwirkungsteils als Auskopplungsteil erheblich die im Ausgangshohlraum durch zirkulierende Hochfrequenzströme abzuführende Leistung, wenn von gleichen Ausgangsleistungen ausgegangen wird.

Eine Bewertungsziffer für Klystron-Auskopplungsteile ergibt sich durch das Produkt aus der Bandbreite mit dem Wirkungsgrad. Da verlängerte Wechselwirkungs-Ausgangshohlräume höhere Wirkungsgrade und größere Bandbreiten haben, ergeben sich auch höhere Bewertungsziffern Eine Bewertungsziffer für Klystron-Einkopplungsteile ist das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite. Wenn auch durch verlängerte Wechselwirkungsteile als Einkopplungsteil die Verstärkung eines Klystrons nicht unbedingt erhöht wird, so wird doch die Bandbreite erhöht, so daß auch die Bewertungsziffer für diese Teile verbessert wird.

Der verlängerte Wechselwirkungsteil 34 kann auch eine Anzahl von Hohlräumen enthalten, die.negativ gegenseitig induktiv gekoppelt sind, um eine Grundschwingungs-Vorwärtswellen-Leitung zu bilden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verstärker-Laufzeitröhre mit linearem Elektronenstrahl, insbesondere Klystron, bestehend aus einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, einem Elektronenstrahlauffänger und einer zwischen diesen angeordneten Wechselwirkungsstrecke zur Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenstrahls und zur Auskopplung der HF-Energie vom Elektronenstrahl, die wenigstens einen Leitungsresonanzkreis enthält, in welchem sich stehende Wellen ausbilden und der aus einer Anzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Hohlraumresonatoren besteht, die über Spalte mit dem Elektronenstrahl gekoppelt sind und so bemessen sind, daß die elektrischen HF-Felder benachbarter Spalte eine Phasenverschiebung von im wesentlichen ganzzahligen Vielfachen von π aufweisen (verlängerter Wechselwirkungsteil), dadurch gekennzeichnet, daß für Betrieb mit einer Phasenverschiebung um ungeradzahlige Vielfache von π die Hohlraumresonatoren so bemessen sind, daß sie im durch die Kopplung mit Nachbarhohlräumen belasteten Zustand gleiche Resonanzfrequenzen haben, wobei die Endhohlräume ohne Belastung durch die Kopplung mit Nachbarhohlräumen eine Resonanzfrequenz haben, die im wesentlichen in der Mitte zwischen der Resonanzfrequenz entsprechend dem Betrieb mit einer Phasenverschiebung um geradzahlige Vielfache von π und der Resonanzfrequenz entsprechend dem Betrieb mit einer Phasenverschiebung um ungeradzahlige Vielfache von π liegt, und wobei die innenliegenden Hohlräume ohne Belastung durch die Kopplung mit Nachbarhohlräumen eine Resonanzfrequenz entsprechend dem Betrieb mit einer Phasenverschiebung um geradzahlige Vielfache von π haben.

2. Laufzeitröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumresonatoren so bemessen sind, daß das Verhältnis R/Q für alle Hohlraumresonatoren im wesentlichen gleich ist, wobei R der Resonanzwiderstand und Q die Güte der Hohlraumresonatoren ist.

3. Röhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verlängerte Wechselwirkungsteil in bekannter Weise den Auskopplungsteil der Wechselwirkungsstrecke bildet