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Schirmgitterröhre für ultrahohe Frequenzen und hohe Leistungen Die
Erfindung betrifft Mittel zum Aufbau von Elektronenröhren und insbesondere Mittel
zur elektrischen Abschirmung von auf ultrahohem Frequenzen arbeitenden Hochleistungsröhren.
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In als Verstärker und Schwingungserzeub r mit mäßiger Leistung und
auf mäßig hohen Frequenzen arbeitenden Röhren kann eine genügend-, Trennung der
Ausgangs- und Eingangselektroden durch ein zwischen diesen Elektroden angeordnetes
Schirmgitter erzielt Nverden, das über einen in das Vakuumgefäß eingeschmolzenen
Zuführungsdraht auf festem Potential gehalten wird. In bei ultrahohen Frequenzen,
beispielsweise 5o MHz und höher, mit mäßig hoher Leistung arbeitenden Röhren iis.t
das gewöhnliche Schirmgitter im Hinblick auf die Trennung der magnetischen und elektrischen
Felder der Anode, des Steuergitters und der mit diesem verbundenen Kreise unwirksam..
Zu den Faktoren, die, zu dem Verlust der Trennungseigenschaften beitragen,
gehört
die Kopplung zwischen den Elektroden um die Enden des Schirmgitters herum und zwischen
den Stromzufü irungen und den Krisen. Weiterhin ist die Impedanz einer gewöhnlichen
Drahtzuführung zum Schirmgitter bei ultrahohen Frequenzen hoch und erzeugt an dem
Schirmgitter unerwünschte Spannungsänderungen.
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In einer üblichen Schiringitterrö:hre fließt jeder über die Zwischenelektrodenkapazitäten
zwischen Steuergitter und Schirmgitter einerseits und zwischen Schirmgitter und
Anode andererseits fließende Strom durch die Schirmgi.tte:rzuführung. Wenn dann
die Schirmgitterzuführung eine Impedanz besitzt, ergibt sich zwischen den beiden
Kreisen eine gegenseitige Kopplung. Die in dein einen Kris fließende Energie wirkt
auf die Spannung und den Strom in dein anderen Kreis ein, und deshalb sind Anode
und Ste:tiergitter wirksam miteinander gekoppelt. Selbst die geringste: Zuführungsimpedanz
erzeugt bei ultrahohen Frequenzen einen merklichen Spannungsabfall, wodurch sich
ein bedeutender Verlust an Schirmgitterwirkung ergibt. Da die Schirmgitterimpedanz
nicht vollständig beseitigt werden kann, so ist es notwendig, die beiden Ströme
so zu trennen, daß eine gegenseitige Kopplung nicht möglich ist.
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Es kann nun gezeigt werden, dal3, wenn gleich große und entgegengsetzte
Ströme in dem inneren Paar von drei konzentrischen rohrförmigen Leitungen von unbegrenzter
Längt fließen, -sich in dein Ranin zwischen den beiden äußeren Leitungen lein inaglietisches
oder elektrisches Feld ergibt und dal), wenn gleich grolle und entgegengesetzte
Ströme in dein äußeren Paar dieser drei konzentrischen Leitungen fließen, kein magnetisches
oder elektrisches Feld innerhalb der ze@titralen Leitung entsteht. Es wurde festgestellt,
daß. wenn in einem solchen System der in der Mitte liegende Zylinder durchlöchert
ist, sich praktisch die gleichen Trennungsbedingungen ergeben wie bei drei ungelochten,
rohrförmigen Leitungen -und daß das rohrförmige Steuergitter einer Röhre vollständig
von der Anode durch einen dazwischenliegenden, durchbrochenen Zylinder oder ein
Schirmgitter, das l:o.nzentrisch zur Anode und zwischen Anode und Steuergitter angeordnet
ist, getrennt werden könnte, wenn nicht .=ine elektrische und magnetische Kopplung
zwischen Aliode und Steuergitter um die Enden des ',chiringitters herum vorhanden
wiire und durch die Schirmgitterzuführungsimpedanz unerwünschte Wirkungen erzeugt
würden. Utn nun an di:@ser Stelle eine Kopplung zwischen .:'%node und Stetivergitter
zu verhindern, wird unter Ausnutzung der Strotnverdriinguti- ])ei 1lochfreqnenz
Lei einer Scliiringitterrölire, deren Gitter mit einem Zuführungsring verbunden
ist, gemäß der Erfindung der Zuführungsring dicker als die wirksame Eindringtiefe
der Hoclifrequenzströme gemacht. Außerdem schließen sich an den Zuführungsring Metallgehäuse
an, von denen das eine den Eingangskreis und das andere den Ausa ngskreis vollständig
umschließt. Die wiriksame Eindringtiefe des Stro-ines in einen Kupferleiter ist
z. B. bei 7oNIHz kleiner als 0.025 inin. Um die beiden Ströme von dein Schirmgitter
am ZusannnenfIießen an <l_ni äußeren Rand der Scheibe ztt hindern, werden die
beiden Oberflächen der Scheitre durch die beiden Metallgehäuse derart ve-rläne rt.
(laß sie die elektrisch benachbarte Elektrode und ihren Kreis vollständig umgehen.
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Die gekennzeichnete . nordlitnig wird an Hand der Zeichnung näher
l):@sclirielretl werden.
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Abb. i zeigt eineRölire miteinem Quetschfuß und Zuführungen an dem
einen Ende und mit der neuen Sch:irmgitterzufiilirtliig tui<i :'\1>-schirmung
im Schnitt; Abb.2 ist eine Ansicht ini Schnitt von einer #.#@bschirmung von zwei
j-11,öliren gemäß Abb. i in Gegentaktschaltung; Abb. 3 zeigt eineRöhne mit einem
Quetschfuß und Zuführungen an jedem Ende des Vakuumgefäßes und eine lrevoi-ztigte
:11>-schirmung ; Abb. q. und 5 zeigen zwei Röhren gemäß der Abb. 3 im Schnitt, die,
ebenfalls in Gegentakt geschaltet sind; Abb.6 zeigt perspektivisch zwei Rühren mit
Zuführungen an jedem Ende, die für Gegentaktbetrieb> aufgebaut sind; Abb. 7 und
8 zeigen endlich. die Stroinwege in einer bisherigen Röhre und in der rfindungsgemäßen
Röhre.
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Das Vakuumgefäß der in Abb. i darge@>te llten Röhre besteht aus einer
zylindrischen Metallanode i, die an ihrem unteren Ende, mit :inem zylindrischen
Glasteil oder bobtreu z gasdicht verschmolzen ist, der koaxial finit der Anode durch
an die Anode an@neschweißte oder angelötete Verschmelzungsringe 3 und läng; seiner
unteren Kante mit dein Kranz des Glaskoll),ns verschmolzen ist. Innerhalt> der Anode
sind ein konzentrisches Schinngitteirq., ein Steuergitters und eine Kathode<
angeordnet. Die Kathode ist wegen der Einfachheit der Darstellung V-förmig gezeichnet,
obgleich die:bevorzugte Kathode aus mehreren geraden parallelen Heizdrähten bestehen
würde, die innerhalb einer zylindrischen Fläche konzentrisch zu den anderen Elektroden
angeordnet sind. Das Steuergitter be-..teltt vorzugsweise zur Verminderung der Ind:tiktivitä
t zwischen den Enden des Gitters aus einer Reilie paralleler gerader 1)rühte,
die
auf einer zylindrischen Fläche! antigeordnet sind, und ist an seinem oberen Ende
mit einer Metallkappe abgeschlossen. Nicht dargestellte Brücken, halten das Steuergitter
in festem Abstand zu den übrigen Elektroden. Das Steuergitter ist mit dem Zufübrungsdraht
7 verbunden, der in den Boden: des Gla,skolbens eingeschmolzen und induktiv mit
einer Eingangs- oder Speiseschleife 8 gekoppelt ist. Die Steuergitterzuführung isst
vorzugsweise von den Kathodenzuführungen 9 durch zine:n Metallteil io abgeschirmt.
Zur Verringerung der Längsimpedanz des. Schirmgitters ist dieses ebenfalls vorzugsweise
aus geraden, parallel zur Anoldenachse verlaufend en Längsdrähten aufgebaut und
ebenso wie (las Steuergitter in einer zylindrischen Oberfläche lonzentri,s@cli zu
den anderen Elektroden angeordnet und an seinem oberen Ende mit einer undurchlässigen
Metallkappe verschlossen.
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Um die Impedanz der Schirmgitterzuführung zu vermindern und zwei wirksam
getrennte Stromkreise zum Schirmgitter herzustellen, besteht die Zuführung aus einer
mit .einer zentralen Öffnung versehenen Scheibe oder --einem Zuführungsring ii,
deren Dicke im Vergleich zur Eindringtiefe des Stromes groß ist und die in das Glas
mit ihrem äußeren Rand von dem Kolben radial nach außen ragend eingeschmolzen ist.
Die beiden Glasteile des Kolbens können an die gegenüberliegenden Flächen der Scheibe:
stumpf angeschmolzen oder mit der Scheibe durch kurze, hochstehende, scharfkantige
Ränder verbunden sein, die in das Glas eingebettet und mit der Scheibe hart verlötet
sind. Dais untere Ende des Schirmgitters ist mit dem Rand der Scheibenöffnung durch
einen kurzen:, undurchlässigen 11-Tetallzylind@er 12 verbunden, der konzeqtrisch
zu den Elektroden angeordnet und durch Hartlöten oder Schweißen mit seinen Enden
an der Scheibe und der Elektrode befestigt i,st. Die Verbindung zwischen der Scheibe
und dem Zylinder 12 ist ununterbrochen und undurchlässig längs der ganzen ringförmigen
Berührungsstelle zwiischen den beiden Metallstücken. Der metallische Wassermantel
13, der die Anode umgibt, kann wie üblich an seinem oberen Ende mit den Röhren rd.
eines Kühlflüssigkeitsumlaufes in Verbindung stehen.
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Die Kapazität zwischen Anode und Schirmgitter ist in der Abb.7 als
gestrichelt gezeichneter Kondensator 16 dargestellt. Durch diesen fließt ein Strom
Il zwiischen Anode und Schirrngitter, dessen Bahn durch die Schaltelemente außerhall)
der Röhre vervollständigt wird. Gleicherweise fließt ein Strom I2 durch die Kapazität
17 zwischen .Steuergitter und Schirmgitter. Der Kreis für diesen Strom wird ebenfalls
außerhalb des Entladungsgefäßes geschlossen.. Diese beiden Ströme müssen in der
üblichen Röhre durch eine gemeinsame Schirmgitterzuführung mixt einer Impedanz Z_
abfließen. Die gegenseitige Kopplung zwischen dein Kreisen, die: durch die Impedanz
Z hervorgerufen wird, ermöglicht eine Rückwirkung zwischen den Ausgangsund, Eingangselektroden
und verursacht einen unstabilen und schlechten Betrieb.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden die beiden Ströme -I,
und I., wie in Abb. 8 ischematisch dargestellt, derart getrennt, daß beispielsweise
weder der Spannungsabfall an der Impedanz Z2 dein Steuergitter nach die Spannung
an Z1 der Anode aufgedrückt werden kann. Zur Trennung der beiden Ströme ist die
Scheibe i r (Abb. i ) dicker als die wirksame Eindringtiefe der Hochfrequenzströme
in den Ring gemacht. Der Strom 1i auf der oberen Oberfläche des Ringes wird nach
oben abgeleitet und von dem äußeren Rand dies Ringes durch einen Metallmantel oder
ein Gehäuse 18 abgelenkt, das auf den Ring aufgesetzt ist und sich nach olrn um
die Anode und den Ausgangskreis 15 erstreckt, indem das obere Ende des Gehäuses
18 umgebogen ist, daß es den Ausgangskreis umschließt. Um das obere Ende des Ausgangskreises
und das Gehäuse für Hochfrequenzströme kurzzusehlie@ßen, ist der Anodenfortsatz
15 vorzugsweise mit einenm großen Flansch i9 versehen und so kapazitiv mit dem Gehäuse
gekoppelt.
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Der auf der unteren Seite des Ringes fließende Strom 12 und der Eingangskreis
ist in ein Gehäuse 2o eingeschlossen, das mit der Unterseite des Ringes verbunden
ist und den I3ingangskreis umschließt. In Abb. i sind die mit den Ausgangs- und
Eingangselektroden gekoppelten Kreise der Röhre von vollwandigen Fortsätzen an den
Seiten der Gehäuse umschlossen.
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Der zwischen Anode und Schirmgitter fließende Stromli findet einen
geschlossenen Kreis längs der inneren Wand des Gehäuses 18, der oberen Oberfläche
der Scheibei i i, iil:z:r den Zylinder 12 zum Schirmgitter und durch: die Kapazität
16 zur Anode. Der zwischen dem Steuergitter und dem Schirmgitter fließende Strom
12 findet ebenfalls einen g-schlossenen Kreis längs der inneren Oberfläche des Gehäuses
2o, der Unterseite der Scheibe i i, über den Zylinder 12 und durch die Kapazität
17 zum Steuergitter. An keinem Punkt werden diese beiden Ströme vereinigt oder gekoppelt,
außer in dem konzentrischen, zylindrischen Aufbau der Elektroden, wo ihre Felder
keine gege!nseitige Kopplung, wie eingangs auseinandergesetzt, erzeugen können.
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Der vorgeschlagene Weg zur Trennung der
Anode vom
Steuergitter eist genau so bei zwe Röhren wirksam, die entweder parallel oder in
Gegenkontakt geschaltet sind. In Abb. sind zwei Röhren gemäß Abb. i nebeneinander
auf einer großen Platte 2i aufgebaut die Öffnungen zur Aufnahme der beiden die Schirmgitter
tragenden Zuführungsringe i i besitzt. Das Gehäuse 22 ist mit der oberen Oberfläche
der Platte 21 verbunden und umschließt vollkommen die Anoden und den Ausgangskreis,
der vorzugsweise aus zwei Leiterschleifen 23 besteht, deren Enden mit den beiden
Anoden verbunden sind. Die Anodengleichspannung wird über die: elektrische Mitte
der Schleife zugeführt, und der Ausgangsk. reis 24 ist induktiv mit der Schleife
gekoppelt und durch einen rohrförmigen Fortsatz des Gehäuses herausgeführt. Der
Eingangskreis der Röhre besteht vorzugsweise aus einer Schleife 25 zwischen den
beiden Gittern, die induktiv mit der Eingangsschleife 26 gel:oppz-lt und in das
Gehäuse 27 eingeschlossen ist, das mit der Unterseite der Platte 21 verbunden ist.
Jeder Heizfaden wird über eine, konzentrische Leitung 28 gespeist, die gegeneinander
und gegen Erde abgestimmt sind, um die Hochfrequenzimpedanz und den Spannungsabfall
zwischen Heizfaden und Erde zu verringern. Im Hochfrequenzbetrieb, bei dem die wirksame
Eindringtiefc der Hochfrequenzströme gering ist, sind alle zwischen Anode und Schirmgitter
fließenden Ströme auf das Innere des Gehäuses 22 beschränkt, während sämtliche zwischen
Schirmgitter und Steuergitter fließenden Ströme auf das Innere des Gehäuses 27 beschränkt
sind.
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Abb. 3 zeigt eine Röhre mit einem an jedem Ende an Zuführungsringen
i i befestigten Schirmgitter. Hier können bequem drei Gehäuse für die Anode, für
das Steuergitter und für den Kathodenkreis verwendet werden. Das mit dem Schirmgitter
verbundene Gehäuse 36 umschließt vollkommen die Anode und ihre abgestimmte Übertragungsleitung
3o, die mit ihrem äußeren 'Ende in einer Platte endigt, die kapazitiv mit dem Anodengehäuse
gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform besteht der Ausgangskreis aus einem Draht
31, der konzentrisch zum Fortsatz 32 des Anodengehäuses verläuft und an einem Spannungsbauch
auf der Übertragungslinie 3o angeschlosisen ist. Die Eingangsleitung ist ebenso
an die abgestimmte Gitterübertragungsleitung 33 angeschlossen, die von dem Gehäuse
34 umschlossen ist, das mit dem oberen Flansch i i verbunden ist. Die elektrische
Länge des Eingangs- und Ausgangskreises ist vorzugsweise abglei:chbar. Wie in Abb.
2 ist die Kathode durch konzentrische Leitungen abgestimmt und von einem Gehäuse;
35 um-3chlossen, das kapazitiv mit der Kathoden-Leitung an seinem unteren Ende gekoppelt
und an seinem anderen Ende mit dem unteren Flansch i i verbunden ist.
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In Abb. 4 sind zwei in Gegentakt geschaltete Röhren gemäß Abb.3 mit
einem einzigem Gehäuse 36 dargestellt, das mit jedem der vier Flansche i i verbunden
ist und den Ausgangskrei.s umschließt, der aus einer mit beiden Anoden verbundenen
Induktivität 37 besteht, die mit einer Ausgangskreiszuführung in die Anodenumhüllung
durch einen :@bschirnnhanal 38 gekoppelt ist, der an seinem unteren Ende
mit dem Gehäuse 36 verbunden i'st. BesondereGehäuse 39umgeben die beiden aus abgeschirmten
Streben bestehenden Eingangskreise; die in der Mitte zwischen ihren Enden mit den
Eingangsdrähten verbunden sind. I3esandere Gehäuse 4o umschließen die baden Kathodenkreise.
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In @,bb. 5 sind zwei Röhren mit Durchführungen an beiden Enden gezeigt,
die in Gegentakt geschaltet sind und deren Anoden, Gitter, Kathoden und Kreise mit
vollständigen Gehäuseabschirmungen umgebene sind. Das Gehäuse 4i ist mit den Platten
21 verbunden, die die Zuführungsringe i i tragen und zusainmen mit dem Gehäuse 4i
in ihrer Wirkung ähnlich dem Gehäuse 36 der Abb. 4 sind, während die Eingangskreise
der beiden Steuergitter in ein Gehäuse 42 eingeschlossen und die Kathoden von einem
Gehäuse 43 umgeben sind.
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In Abb. 6 ist ein bequemer Weg zum Aufbau und zur elektrischen Verbindung
zweier erfindungsgemäßer Röhren dargestellt. Die oberen und die unteren Schirmgitterdurchführungsringe
i i werden durch Schrauben oder Bolzen an der oberen bz,#v. unteren Deckplatte des
kastenförmigen 1letallschirmes 5o befestigt.
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Mechanisch und elektrisch undurchlässige Schirme ergeben ideal abgeschirmte
Röhren, aber in der Praxis sind in diesen Schirmen oft für isolierte Zuführungen
und aus mechanischen Gründen Öffnungen erforderlich. Die Größe der Öffnungen und
der Abstand der Öffnungen von den Enden des Schirmgitters sind wichtige Faktoren,
da sie den Energie betrag festlegen, der von einem Kreis auf den anderen übertragen
werden kann. Zum Beispiel kann eine kleine Öffnung auf denn inneren Rand des Schirmgitterflansches
mehr Rückkopplung erzeugen als eine große Öffnung auf dem äußeren Rand des Flansches
und diese würde wieder mehr Rückkopplung erzeugen als eine Öffnung in der Wand des
Abschirmgehäuses, die mehrere Zoll von dem Flansch entfernt ist. Glücklicherweise
kann die Eingangsleistung für einen durchschnittlichen Verstärker um 5 % durch die
dem Eingangskreis von dein Ausgangskreis zugeführte
Energie ohne
störende Einflüsse auf den Wirkungsgrad und die Stabilität des Betriebes verändert
werden.