DE2353555A1

DE2353555A1 - Laufzeitroehre

Info

Publication number: DE2353555A1
Application number: DE19732353555
Authority: DE
Inventors: Takao Kageyama; Yoshihiro Morizumi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1972-10-25
Filing date: 1973-10-25
Publication date: 1974-05-30
Also published as: FR2217792B1; JPS4965175A; DE2353555C2; JPS535110B2; GB1435740A; FR2217792A1; NL169799B; NL7314581A; NL169799C

Description

laufzeitröhre

Die Erfindung betrifft eine Laufzeitröhre mit mehreren unverschalteten oder Zwischenresonatoren und kurzen Trjfträumen.

Der unverschaltete Resonator einer Laufzeitröhre ist als Resonator definiert, der zwischen dem Eingangsresonator und dem Ausgangsresonator liegt und außerhalb der Röhre weder eine Energiequelle-noch eine Last hat, die die Ausgangsleistung des Resonators benutzt. Dadurch wird jedoch nicht ausgeschlossen, daß ein Schaltungselement mit dem Resonator gekoppelt ist allein, um bestimmte Kennwerte des Resonators zu beeinflussen. -

Im Zusammenhang mit einer Laufzeitröhre ist zu beachten, daß der Wechselwirkungsspalt eines Resonators zu der Wechsel-

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Wirkung zwischen dem in der Röhre erzeugten Elektronenstiahl und. dem elektromagnetischen Feld "beiträgt, das in dem Resonator induziert wird, und daß der Triftraum, der zwischen zwei nebeneinanderliegenden We chselwirkungs spalten liegt, zu der Bündelung des gesehwindigkeitsmodulierten Elektronenstrahls beiträgt. Die länge eines 2)riftraumes wird im allgemeinen, durch die normierte länge in Einheiten des reduzierten Plasmawinkels ausgedrückt, der durch ω l/u gegeben ist, wobei cü die reduzierte Plasmawinkelgeschwindigkeit, u die Crleichspannungs-Strahlgeschwindigkeit und 1 den Abstand zwischen den Mittelpunkten der Wechselwirkungsspalten angibt, die an beiden Enden des iDriftraumes liegen. Zur Abkürzung wird die Angabe "in Einheiten des reduzierten Plasmawinkels" in der folgenden Besehreibung wenn möglich weggelassen. Ferner wird ein Triftraum, der unmittelbar stromab Ton dem einem Resonator zugeordneten We chselwirkungs spalt liegt, lediglich als Trifträum unmittelbar stromab von dem Resonator bezeichnet, wenn dies möglich ist. Die Worte "stromauf" und "stromab" beziehen sieh auf die makroskopi — sehe Strömung des Elektronenstrahls.

Bei einer Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen ist es üblich, verschiedene Frequenzen für die Grundschwingungsarten der Resonanz der Resonatoren auszuwählen, um .die Yerstärkungsgrad-Frequenz-Kennlinien der Röhre zu verbessern. Bisher ist es üblich, den Eingangsresonator auf die Mittenfrequenz

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des Arbeits-Durchlaßbereiches der Röhre oder auf eine etwas höhere frequenz abzustimmen, und einen unver schalt et en ■Vorresonator (Vorbündelung), der unmittelbar, stromab von dem · Eingangsresonätor liegt", auf eine Frequenz niedriger als die Mittenfrequenz abzustimmen, Folglich ist die Spannung, die über dem Spalt des unversehaiteten Torresonators in der Nachbarschaft der Mittenfrequenz induziert wird, in ihrer Phase nahezu entgegengesetzt zu der Spannung, die über dem Spalt des Eingangsresonators erzeugt wird, um den einmal gebündelten Elektronenstrahl zu entbündeln. Vienn die Triftröhre, die unmittelbar stromab von dem unverschalteten Vorresonator angeordnet; ist, kürzer als 60 ° ist, ist für den Sntbündelten Elektronenstrahl kein Platz, um wieder gebündelt zu werden. Dadurch werden die Elektronen an der erwünschten Bündelung an dem Spalt des Ausgangsresonators gehindert, so daß sich der Mangel eines begrenzten Umsetzungswirkungsgrad es der laufzeitröhre ergibt.

Um den Umsetzungswirkungsgrad solcher Laufzeitröhren zu verbessern, wurde bereits angeregt (US-Patentanmeldung Nr. 28 792 vom 15. April 1970) einen länglichen Triftraum mit., einer normierten Länge zwischen 90 ° und 150 , vorzugs- \<\reise von 120 °j zwischen dem unverschalteten Vorresonator und einem unverschalteten Endresonator zu verwenden, der von dem Vorresonator aus gesehen als nächstes stromab angeordnet ist. Die Röhre ist jedoch aufgrund ihrer außergewöhn-

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lichen Länge schwer zu handhaben und macht einen UHF -Fernsehsender unhandlich groß, lerner ist der benutzbare Frequenzbereich der Röhre schmal und beschränkt, weil τοη der Raumladungskraft bei der zweiten Harmonischen Gebrauch gemacht wird und weil der lange Triftraum bei der Arbeitsfrequenz ungefähr 120 ° lang sein muß.

Bs wurde auch eine Laufzeitröhre mit Trifträumen der normierten Länge von 90 oder weniger vorgeschlagen (deutsche Patentanmeldung P 23 17 487.0), bei der der Triftraum unmittelbar stromab von dem unverschalteten Vorresonator langer als die anderen Trifträume, jedoch nicht länger als 90 ° istö Diese Röhre hat den Vorteil, daß der Arbeitsfrequenzbereich -verhältnismäßig breit ist, weil von der Raumladungskraft der zweiten Harmonischen kein Gebrauch gemacht wird. Es ist jedoch zu beachten, daß der reduzierte Plasmawinkel lang wird, um die normierte Triftlänge des in Frage stehenden Triftraumes· kurzer als 60 ° zu machen, wenn eine Röhre, die für die höherfrequenten Kanäle eines UHF-Fernsehsenders entworfen ist, für niedrigerfrequente Kanäle verwendet wird, wobei die Resonanzfrequenzen der Resonatoren lediglich herabgesetzt werden. Dadurch wird es unmöglich, den entbündelten Elektronenstrahl in dem Triftstrahl neu zu bündeln, und der Umsetzungswirkungsgrad wird reduziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen zu schaffen, die einen ausgezeichneten Umsetzungswirkungsgrad hat, und die insbesondere

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in einem weiten Bereich von Arbeitsfrequenzen betrieben werden kann. - . .

Dazu ist eine Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen, die in einem vorbestimmten Arbeits-Durchlaßfrequenzbereich verwendbar ist und bei der ein erster und ein zweiter Resonatorkreis oder ein unversehalteter Vorresonator (Vorbündelung) und ein unversehalteter Endresonator (endgültige Bündelung), die zwischen einem-Eingangs- und einem Ausgangsresonatorkreis angeordnet sind, und mehrere Trifträume für einen in der Röhre erzeugten Elektronenstrahl vorgesehen sind,_v wobei der zweite Resonatorkreis bezüglich des Elektronenstrahles stromab von dem ersten Resonatorkreis angeordnet ist und eine Grundschwingung der Resonanz bei einer Frequenz hat, die höher als die höchste frequenz des Durchlaßbereiches ist, wobei ferner die Res-onatorkreise Wechselwirkungsspalteinriehtunge'n aufweisen, die in Wirkverbindung mit dem Elektronenstrahl angeordnet sind und zu der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem in dem zugehörigen Resonatorkreis erzeugten,/ elektromagnetischen Feld beitragen, und wobei schließlich jeder der 'Trifträume sich zwischen den Wechselwirkungsspalteinrichtungen von zwei nebeneinanderliegenden Resonatorkreisen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß der EingangsresOnatorkreis und der erste Resonatorkreis G-rundsehwingungen der Resonanz bei Frequenzen haben, die respektive nahe bei der tiefsten und der höchsten frequenz des Durchlaßbereiches liegen, und daß der Eingangsresonatorkreis einen

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Q-Wert hat, der wenigstens gleich dem Q-Wert des ersten Re- .

sonatorkreises ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen /beschrieben. Es zeigen:

Fig.. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Pig. 2 eine graphische Darstellung der Verstärkung der in Fig. 1 gezeigten Röhre gegenüber der Frequenz, und die Frequenzen, bei denen die Hohlräume Grundschwingungen der Resonanz haben;

Fig. 3 die Impedanz der Hohlräume, gesehen you ihren zugeordneten Wechselwirkungsspalten gegenüber der Frequenz;

Fig. 4 die Phasen der jeweiligen Hohlraumimpedahzen;

Fig. 5 die normierten, Grundschwindungskomponenten des dichtemodulierten Strahlstromes der in Fig. 1 gezeigten Röhre und einer herkömmlichen Laufzeitröhre gegen den Abstand entlang der Strahlachse;

Fig. 6 die Umsetzungswirkungsgrade der in Fig. 1 gezeigten Röhre und einer herkömmlichen Röhre; und

Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Eine Laufzeitröhre nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 1) weist eine Elektronenstrahlquelle 11, die

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nahe "bei einem Ende einer Röhrenhülle (nicht gezeigt) zur Erzeugung eines Elektronenstrahles 12 angeordnet Lsi, und eine Sammelelektrode 13auf, die nahe "bei dem anderen Ende der Röhrenhülle zum Aufsammeln des_Elektronenstrahls 12 angeordnet ist» Der Eingangsresonatorkreis 16» der ein durch einen Stempel belasteter Resonator ist, ist neben dem stromauf liegenden Ende des Elektronenstrahles 12 angeordnet und" kann durch eine hochfrequente, elektromagnetische Energie durch eiiie Eingangs-Kupplungsschleife 17 erregt und auf eine Frequenz nahe bei der tiefsten Frequenz des Arbeits-Dürchlaßbereiches der Röhre durch Einstellung einer Resohanzfrequenz-Abstiimneinrichtung, beispielsweise einen Abstimmstempel 18, eingestellt werden. Der Eingangsresönator 16 weist einen .Wechselwirkungsspalt 19 auf, der' zwischen den freien Enden des mehrfach zusammenhängenden Hohlraums gebildet wird. Die Hochfrequenzspannung über dein Spalt 19 wirkt auf dem Elektronenstrahl 12 ein, um diesen bezüglich seiner Geschwindigkeit zu modulieren. Eine erste Triftröhre 20 ist um den Elektronenstrahl 12 herum in dem von dem Eingangshohlraum 16 stromab liegenden Bereich angeordnet> um einen ersten Triftraum zu bilden, der frei von einem elektromagnetischen Höchfrequenzfeld ist und in dem der Elektronenstrahl 12 zum Zwecke der Bündelung mit einer Geschwindigkeit getriftet wird, die durch die Geschwindigkeitsmodulation bestimmt ist, die auf ihn bei dem Spalt 19 des Eingangshöhlräumes aufgeprägt wurde. Ein Vorresonator 21 (Vorbündelung) mit einem Weehselwirkungsspalt 22 an dem stromab liegenden Ende des ersten Triftraumes ist

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einstellbar auf eine Frequenz "bei der höchsten Frequenz des Durchlaßbereiches durch, einen,Abstimmstempel 23 eingestellt.. Der Vorresonator 21 kann mit einer Kopplungseinrichtung, beispielsweise einer Schleife 24, versehen sein, um ihn mit einem Widerstand oder dgl. (nicht gezeigt) zur Einstellung des Q-Wertes des Vorresonators 21 zu verbinden. Der Elektronenstrahl 12, der durch den Spalt 22 des Vorresonators hindurchtritt, erhält eine dichtemodulierte Stromkomponente in der G-rundschwingungsart, deren Phase nahezu 90 ° hinter der Spannung nacheilt, die über dem Eingangsresonatorspalt 19 induziert wird. Daher erregt der dichtemodulierte Elektronenstrahl den Torresonator 21 an dem Spalt 22 in der Weise, daß ein elektrischer Strom entlang der_Innenwand desselben nahezu in Phase mit der diclrtemodulierten Stromkomponenten in der Grundschwingung induziert wird. Andererseits ist die Impedanz des Vorresonators 21 gesehen von dem Spalt 22 in der Nachbarschaft der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches induktiv. Daher induziert der induzierte Strom seinerseits eine Spannung mit einer Phase, die der Phase des induzierten Stromes voreilt. Es ist ersichtlich, daß die Geschwindigkeitsmodulation, die auf den Elektronenstrahl 12 an dem-Vorresonatorspalt 22 aufgeprägt wird, in dem Sinne wirkt, daß der Bündelungseffekt in dem ersten Triftraum verstärkt wird. Der Elektronenstrahl 12 wird daher in der zweiten Triftröhre 25 weiter gebündelt, die unmittelbar stromab von dem Vorresonator 21 liegt.

Gemäß Figo 1 ist ein erster Endresonator 26 (endgültige Bündelung) vorgesehen, der einen Wechselwirkungsspalt 27

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aufweist und einstellbar durch einen Abstimmstempel 28 auf eine höhere Frequenz als die höchste Frequenz des Durehlaßbereiches abgestimmt \e?den kann. Die Impedanz des ersten Endresonators 26 gesehen von dem Spalt 27 in der Nachbarschaft der Mittenfrequenz.des Durchlaßbereiches ist daher genügend induktiv, um die Über dem Spalt 27 durch den Elektronenstrahl 12 induzierte Spannung im wesentlichen in Phase mit den Spannungen zu bringen, die über dem Eingangsresonatorspalt 19 und dem Torresonatorspalt 22 induziert sind. Die Geschwindigkeitsmodulation, die in dem ersten Endresonatorspalt 27 auf den Elektronenstrahl 12 ausgeübt wird, erfolgt daher in der Richtung, daß die bereits vorhandene Bündelung weiter verstärkt, wird. Der Elektronenstrahl 12 wird in einer dritten Triftröhre 29 weiter gebündelt, die als nächstes stromab von dem ersten Endresonator 26 angeordnet ist. Ein zweiter Endresonator 31 mit einem Wechselwirkungsspalt 32 kann durch einen Abstimmstempel 33 auf eine Frequenz höher als die höchste Frequenz des Durchlaßbereiches abgestimmt werden, um auf ähnliche Weise die Bündelung in einer vierten Triftröiire 34 zu verstärken, die mit diesem Endresonator 31 verbunden . ist. Ein Aixsgaiigsresonatorkreis 36 mit einem Wechselwirkungsspalt 37 und einer Ausgangs-Kopplungsschleife 38 können einstellbar im wesentlichen auf die Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches durch einen Abstimmstempel 39 abgestimmt werden.

Im allgemeinen haben die Hohlraumimpedanzen der entsprechenden Hohlraumresonatoren,' die in einer Laufzeitröhre mit mehreren Hohlräumen verwendet werden, Auswirkungen auf den Um- -

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Setzungswirkungsgrad und die Verstärkungs-Frequenz-Kennli nien der Röhre. Die Beziehung zwischen dem Q-Wert τοπ jedem der Hohiraumresonatoren und dem Absolutwert j Z | der Hohlraumimpedanz gesehen von dem zugehörigen Wechselwirkungsspalt ist gegeben durch:

wobei f_Q und.f.. die Resonanzfrequenz des Resonators und die Arbeitsfrequenz der Röhre, und R den gesamten Parallel-Verlustwiderstand des Resonators bedeuten. Andererseits ist die Beziehung zwischen dem Q-Wert und der Phase θ der Hohlraumimpedanz gegeben durch:

θ = Arc tan Q U₀/^ - V^'

Eine Ausführung der Laufzeitröhre nach einem ersten Ausführungsbeispiel ist so ausgelegt, daß es die-Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie 41 (Pig. 2) hat. Die Mittenfrequenz ist 500 MHz. Die Durchlaßbereichbreite ¥ zwischen dem Punkt, der 1 dB niedriger liegt und dem Punkt maximaler Verstärkerung ist etwa 7 MHz. Nach dieser Ausgestaltung sind die Hohlraumresonatoren 16, 21, 26, 31 und 36 auf Frequenzen abgestimmt, die durch die entsprechenden, eingekreisten Bezugszahlen angedeutet sind. Ferner hat der Eingangsresonator 16 einen Q-Wert von 195 aufgrund der Eingangskopplungsschleife 17. Der unverschaltete Vorresonator 21 ist auf einen Q-Wert von 145 dadurch eingestellt, daß ein Widerstand mit- 50 Ohm an die Schleife angeschlossen ist. Jeder der unversehalteten Endresonatoren 26 und 31 hat einen Q-Wert von 650. Der Ausgangsresonatorkreis 36 mit der Ausgangskopplungsschleife 38 hat einen Q-Wert

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von"55*

In Fig. 3 sind die Absolutwerte der entsprechenden Hohlraumimpedanzen, die unter Verwendung der Gleichung (1.) errechnet worden sind, gegen die Frequenz aufgetragen. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die Endresonatoren 26 und 31 hohe Impedanzen "bei der höchsten Frequenz des Durchlaßbereiches W ""haben, und daß der Q-Wert des Eingangsresonatorkreises 16 größer als der Q-Wert des Vorresonators 21 sein sollte, um die Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie flach zu machen.

Die Phasen der entsprechenden" Hohlraumimpedanzen, errechnet gemäß Gleichung (2), variieren mit der Frequenz, wie in Fig. gezeigt ist. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die Auswahl der Resonanzfrequenzen der Hohlraumresonator en in der erfindungsgemäßen ¥eise verhindert, daß eine Enth und elung auftritt, während der Elektronenstrahl 12 durch die länge des Strahlweges hindurchtritt, weil die Impedanzen des Vorresonators 21 und der Endresonatoren 26 und 31* gesehen von ihren entsprechenden Wechselwirkungsspalten 22, 27 und 37» eine vor- -yerschobene Phase in dem Durchlaßbereich haben.

Eine Kurve 42 in Fig. 5 zeigt die Amplitude der dichtemodulierteil Stronskoiuponenten in Grundsehwingungsform in dem Elektronenstrahl 12 der Laufzeitröhre nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Abhängigkeit von dem Abstand gemessen von der Mitte des Eingangsresonatorspaltes 19 entlang dem Strahlweg,. Die Positionen der Spaltmitten der anderen Reso-

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natorkreise 21, 26, 31 und 36 sind entlang der Abszisse gezeigt, wobei die Bezugszahlen die entsprechenden Wechselwirkungsspalte bezeichnen. Die Ordinate ist durch den G-leichspannungs-Strahlstrom nurmiert. Eine andere Kurve 43 zeigt die entsprechende Amplitude für eine herkömmliche Laufzeitröhre mit einem ähnlichen Aufbau und derselben Gesamtlänge, wobei selbst die Raumladungskräfte der zweiten Harmonischen nicht berücksichtigt sind. Yon der Figur ist ersichtlich, daß die Entbündelung, die in der Kurve 43 zwischen den Spaltmitten 22 und 27 selbst bei der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches nicht bei der Kurve 42 auftritt und daß ein stärker dichtemodulierter Strom an dem Ausgangsresonatorspalt 37 erzielt wird.

Eine Kurve 44 (Fig. 6) zeigt den Umsetzungswirkungsgrad einer Laufzeitröhre gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Frequenzbereich von 470 - 660 MHz, d. h. für das UHP-Pemsehband. Eine andere Kurve 45 zeigt den Um— Setzungswirkungsgrad einer ähnlichen, herkömmlichen Laufzeitröhre. Aus der Figur ist ersichtlich, daß durch die Erfindung der Umsetzungswirkungsgrad bei 473 MHz um 5,5 7° verbessert wird, und daß ein Umsetzungswirkungsgrad von etwa 60 f> über dem ganzen UHP-Fernsehband sichergestellt wird.

In Fig. 7 ist eine Laufzeitröhre nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Diese Laufzeitröhre ist im wesentlichen gleich ausgebildet wie die Laufzeitröhre

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nacli dem. ersten Ausführungsbeispiel" mit der Ausnahme, dai3 nur ein unversehalteter Endresonator 26 verwendet wird.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können räumlich aufgeteilte Wechselwirkungseinrichtungen, die aus einer Vielzahl von untereinander gekoppelten Hohlraumresonatoren ^% zusammengesetzt sind, statt konzentrierten Wechselwirkungseinrichtungen, wie ein mehrfach zusammenhängender Hohlraum mit einem einzigen Wechselwirkungsspalt, verwendet werden. Die- Abstimmstempel können durch eine andere Äbstimm-Kurzschlußeinrichtung ersetzt werden.

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Claims

PATS UTA M SPRÜCHE

' 1.J Laufzeitröhre, die in einem vorbestimmten Arbeits-Burchlaßfrequenzbereich verwendbar ist und "bei der ein erster und ein zweiter Resonatorkreis zwischen einem Eingangs— und einem Ausgangsresonatorkreis und eine Vielzahl Trifträume für einen in der Röhre erzeugten Elektronenstrahl vorgesehen sind,

in
wo"bei der zweite Resonatorkreis/Bezug auf den Elektronenstrahl stromab von dem ersten Resonatorkreis angeordnet ist und eine Grundschwingungsart der Resonanz bei einer Frequenz hat, die höher als die höchste frequenz des Durehlaßbereiches ist, wobei ferner jeder Resonatorkreis eine Weehselwirkungsspalteinrichtung hat, die in Wirkverbindung mit dem Elektronenstrahl angeordnet ist und zu der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und dem in dem zugehörigen Resonatorkreis induzierten, elektromagnetischen Feld beiträgt, und wobei schließlich die Trifträume sich zwischen den Wechselwirkungsspalteinrichtungen erstrecken, die zwei nebeneinander liegenden Resonatorkreisen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs— resonatorkreis (16) und der erste Resonatorkreis (21) Grunds chwingungsformen der Resonanz bei Frequenzen in der Nähe der tiefsten und höchsten Frequenz des Durchlaßbereiches respektive haben, und daß der Eingangsresonatorkreis (16) einen Q-Wert wenigstens gleich dem Q-Wert des ersten Resonatorkreises (21). hat.

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2. Röhre nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonatorkreis (21) eine Einrichtung (24) zur 3instellung seines Q-Wertes hat.

3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Re'sonatorkreise (16,21,26,31,36) Einrichtungen (18,23, 28,33,39) zur Einstellung der entsprechenden Frequenzen, der Grundschwingungsformen der Resonanz aufweisen.

4. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

je ein erster (21) und ein zweiter (26) Resonatorkreis vorgesehen ist. - .

5. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Resonatorkreis (21) und zwei zweite Resonatorkreise (26,31) vorgesehen ist bzw. sind_c

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