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Lauffeldverstärkerröhre für höchste Frequenzen Die Erfindung betrifft
eine Lauffeldverstärkerröhre für höchste Frequenzen mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem,
einer als Leitungsresonator ausgebildeten Verzögerungsleitung und einem Elektronenstrahlauffänger.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 860 280 ist bereits eine Verstärkerröhre
für höchste Frequenzen mit einem Leitungsresonator bekannt. Bei dieser nach Art
eines Klystrons aufgebauten Röhre soll durch die Maßnahme, den Laufraum als Leitungsresonator
auszubilden, eine Entpaketisierung des Elektronenstrahls im Laufraum vermieden werden.
Die Röhre ist dabei gegenüber einem üblichen Klystron in keiner Weise vereinfacht.
Insbesondere sind weiterhin außer dem Leitungsresonator ein besonderer Einkoppelraum
und ein besonderer Auskoppelraum in Form von Hohlraumresonatoren vorhanden, für
die eine entsprechend hohe Güte gefordert werden muß.
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Es sind auch bereits Lauffeldverstärkerröhren bekannt, bei denen mindestens
zwei Leitungsresonatoren in Elektronenstrahlrichtung hintereinander so angeordnet
sind, daß sie nur über den Elektronenstrahl miteinander gekoppelt sind. Man vergleiche
hierzu beispielsweise die britische Patentschrift 788 611 und die USA.-Patentschrift
2 622 158. Man koppelt dabei in den ersten Leitungsresonator das zu verstärkende
Signal ein und aus dem letzten Leitungsresonator das verstärkte Signal aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lauffeldverstärkerröhre
für höchste Frequenzen so auszubilden, daß sie insgesamt mit einem einzigen Leitungsresonator
auskommt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Lauffeldverstärkerröhre der eingangs
erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß sowohl die Einkopplung der zu
verstärkenden Signale (Eingangssignale) in den Leitungsresonator als auch die Auskopplung
der verstärkten Signale (Ausgangssignale) aus dem Leitungsresonator über die gleiche
Resonatorkoppelstelle erfolgt und zur Trennung der Ausgangssignale von den Eingangssignalen
ein Zirkulator im Zuge der gemeinsamen Ein- und Ausgangsleitung vorgesehen ist.
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Obwohl die Hochfrequenzenergie in einem Leitungsresonator wie in jedem
Resonator keine bestimmte Ausbreitungsrichtung hat und deshalb auch keine bevorzugten
Ein- und Auskoppelstellen gegeben sind, benötigt eine erfindungsgemäße Verstärkerröhre
nur einen einzigen Leitungsresonator, weil der im Zuge der gemeinsamen Ein- und
Ausgangsleitung vorgesehene Zirkulator die Trennung der Ausgangssignale von den
Eingangssignalen bewirkt. Ein »Zirkulator«, auch Richtungsgabel genannt, stellt,
wie bekannt, eine vierarmige Wellenweiche mit den Koppelarmen A, B, C und
D dar, bei der eine bei A eingespeiste Welle nur nach B,
eine bei B
eingespeiste Welle nur nach C, eine bei C eingespeiste Welle nur nach
D und eine bei D eingespeiste Welle nur nach A gelangen und dort austreten
kann. Bei einer Röhre nach der Erfindung schließt man z. B. an den Arm A des Zirkulators
den Eingangshohlleiter, an den Arm B den Leitungsresonator und an den Arm C den
Ausgangshohlleiter an. Zur Realisierung eines solchen Zirkulators verwendet man
Ferrite unter Ausnutzung von deren Faraday-Drehung oder deren nichtreziproker Phasenschiebung.
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Bei einer erfindungsgemäßen Lauffeldverstärkerröhre ist es besonders
vorteilhaft, in der vorzugsweise aus einem Hohlleiter bestehenden gemeinsamen Ein-und
Ausgangsleitung des Leitungsresonators einen Kurzschlußschieber anzuordnen, um damit
den Leitungsresonator mechanisch abstimmen zu können. Der Frequenzbereich der Röhre
kann durch eine solche mechanische Abstimmung auf eine Oktave gebracht werden. Die
Abstimmung ist dabei um so wirksamer, je fester die Kopplung zwischen dem Hohlleiter
und dem Leitungsresonator ist.
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Als Verzögerungsleitung für den Leitungsresonator kann jede der bekannten
Verzögerungsleitungen verwendet werden. Besonders geeignet ist eine Verzögerungsleitung
mit Vorwärtswellenstruktur, da bei dieser die für Selbsterregung erforderliche Anschwingstromstärke
höher als bei einer Verzögerungsleitung mit Rückwärtswellenstruktur .liegt. Im.
übrigen müssen bezüglich der Elektronenstrahlgeschwindigkeit und der Phasengeschwindigkeit
der zu verstärkenden elektromagnetischen Welle auf der Verzögerungsleitung die für
Lauffeldröhren üblichen
Bedingungen erfüllt sein, d. h., die Elektronenstrahlgeschwindigkeit
und die Phasengeschwindigkeit der zu verstärkenden elektromagnetischen Welle müssen
Gleich sein. Die Verzögerungsleitung kann so beschaffen sein, daß die Teilwelle,
mit der der Elektronenstrahl in Wechselwirkung steht, eine ausgeprägte Dispersion
hat. Dann ist eine Verstärkung nur im Bereich einer der Resonanzfrequenzen des Leitungsresonators
möglich. Falls die Teilwelle dispersionsfrei ist, kann gleichzeitig im Bereich mehrerer
der Resonanzfrequenzen des Leitungsresonators verstärkt werden. Praktische Ausführungsbeispiele
für den Leitungsresonator sind ein beidseitig kurzgeschlossener, mit Blenden periodisch
beschwerter Hohlleiter oder ein beidseitig kurzgeschlossener, rohrförmiger metallischer
Teil mit konzentrisch angeordneter Wendel, deren erste und letzte Windung mit der
jeweils benachbarten Kurzschlußwand des rohrförmigen metallischen Teiles galvanisch
verbunden sind.
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Die Figuren der Zeichnung zeigen in schematischer, stark vereinfachter
Darstellungsweise Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei sind alle Teile, die
nicht zum Verständnis der Erfindung beitragen, z. B. das Vakuumgefäß der Röhre,
weggelassen.
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Die Verstärkerröhre nach F i g. 1 besteht aus der den Elektronenstrahl
1 erzeugenden Elektronenkanone 2, dem Leitungsresonator 3 und dem Elektronenauffänger
4. Der Leitungsresonator 3 wird von einem periodisch mit interdigitalartig angeordneten
Blenden beschwerten Hohlleiter gebildet, der beidseitig kurzgeschlossen ist. Das
zu verstärkende Signal (Eingangssignal) wird über einen Zirkulator 5 in den Leitungsresonator
3 eingekoppelt. Der Zirkulator 5 hat die Eigenschaft, daß eine bei A eingespeiste
Welle nur in den Arm Bund eine bei B eingespeiste Welle nur in den
Arm C gelangen kann. Der Arm D ist abgeschlossen. Das verstärkte Signal (Ausgangssignal)
kann also am Arm C abgenommen werden. Die Ein- und Auskoppelrichtung der Hochfrequenzenergie
ist durch die Pfeile 6 und 7 gekennzeichnet. Durch das über die Leitung
AB des Zirkulators eingekoppelte Eingangssignal bilden sich im Leitungsresonator
3 stehende Wellen aus. Diese lassen sich, wie bekannt, aus zwei gegensinnig laufenden
Wellen gleicher Amplitude zusammengesetzt denken. Verstärkung tritt auf, wenn die
Triftgeschwindigkeit der Strahlelektronen gleich der Phasengeschwindigkeit der in
Elektronenstrahlrichtung laufenden Welle ist.
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Die Bandbreite einer Verstärkerröhre nach F i g.1 beträgt in der Regel
wegen der zu genügenden Resonanzbedingung weniger als 10 % der Bandmittenfrequenz.
Durch eine mechanische Abstimmung kann jedoch die Bandbreite wesentlich erhöht werden.
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F i g. 2 zeigt das auffängerseitige Ende einer erfindungsgemäßen Verstärkerröhre
mit einer geeigneten mechanischen Abstimmvorrichtung. Der Leitungsresonator 3 mündet
über ein mit einem vakuumdichten Fenster 8 abgeschlossenes Hohlleiterzwischenstück
9 in den Hohlleiter 10, der die gemeinsame Ein- und Ausgangsleitung bildet. Um einen
reflexionsfreien Übergang zwischen dem Leitungsresonator 3 und dem Hohlleiter 10
zu erzielen, ist im Hohlleiterzwischenstück 9 der Längssteg 11 vorgesehen. Der Längssteg
11 dient außerdem mit seiner axialen Bohrung 12 als Auffänger für den Elektronenstrahl
1. Im Hohlleiter 10 ist ein Abstimmschieber 13 angeordnet. Ein Verschieben des Abstimmschiebers
13 in Richtung des Doppelpfeiles 14
ändert die elektrische Länge und
damit die Resonanzfrequenz des Leitungsresonators 3. Der Zirkulatoi besteht aus
den Hohlleitern 10 und 15, die eine gemeinsame Schmalseite haben. In beiden Hohlleitern
befinden sich Ferritstreifen 16 und 17, die so angeordnet und magnetisiert sind,
daß sie je eine nichtreziproke 90°-Phasenschiebung ergeben. Außerdem ist im Hohlleiter
10 ein reziproker 90°-Phasenschieber in Form des Dielektrikums 18 angebracht. Vor
und hinter den Ferritstreifen 16 und 17 befindet sich zwischen den beiden Hohlleitern
10 und 15 je ein Richtungskoppler 19 bzw. 20. Es läßt sich zeigen,
daß durch diese Anordnung alle bei A in Richtung des Pfeiles 6 eingespeiste Energie
bei B zur Verfügung steht, während bei C und D keine Energie erscheint. Umgekehrt
erscheint alle bei B eingespeiste Energie an der Stelle C des Hohlleiters
10, so daß das verstärkte Signal (Ausgangssignal) in Richtung des Pfeiles
7 entnommen werden kann.