DE1491520B1 - Mikrowellenverstaerkerroehre - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine langgestreckte Mikro- Strahlweg 2 längs der Achse des Röhrenabschnitts 5 wellenverstärkerröhre mit einem Elektronenstrahl- schickt. Eine Auffangelektrode 3 (Auffänger) ist am erzeugungssystem am einen und einer Auffangelek- Ende des Strahlweges 2 angeordnet, sie fängt den

trode am anderen Röhrenende, bei der der Elektro- Strahl auf und vernichtet dessen Energie. Der

nenstrahl zunächst eine Mehrkammerklystronstrecke 5 Röhrenabschnitt 5 enthält eine Anode 6, mittels der

mit versetzt abgestimmten Resonatoren durchsetzt, in die Elektronen auf eine Strahlspannung in der

der der Elektronenstrahl durch das zu verstärkende Größenordnung von 120 bis 14OkV beschleunigt

Signal so vormoduliert wird, daß er beim Austritt aus werden, eine Klystronstrecke 15 um eine Lauffeld-

der Klystronstrecke eine ausgeprägte Dichtemodula- strecke 16.

tion aufweist, und dann eine Lauffeldstrecke, die mit io Die Klystronstrecke 15 enthält vier einspringende der Klystronstrecke nur über den Elektronenstrahl ge- Hohlraumresonatoren 17, 18, 19 und 20, die aufeinkoppelt ist und in der die Verstärkung des Signals anderfolgend längs des Strahlweges in der bei KIynach dem Lauffeldröhrenprinzip stattfindet. Eine strons üblichen Weise angeordnet sind. Die Lauffeldderartige Röhre ist in der Zeitschrift »Proceedings strecke 16 enthält eine Anzahl aufeinanderfolgender of the IRE«, Februar 1960, S. 263, beschrieben. 15 Sektionen 21 einer bekannten Verzögerungsleitung

Die Verstärkungskennlinie für die Gesamtverstär- mit Kleeblattstruktur. Die Kleeblatt-Lauffeldstrecke, kung dieser bekannten Röhre wird praktisch aus- ein Kreis mit negativer induktiver Kopplung arbeitet schließlich durch die Kennlinie der Klytronstrecke im Vorwärtsgrundwellenmodus mit dem Elektronenbestimmt, weil deren Verstärkung sich in Abhängig- strahl, der durch die Klystronstrecke 15 dichtevorkeit von der Frequenz so stark ändert, daß demgegen- 20 moduliert ist (Treiberstufe), zusammen, um eine über die Änderungen der Verstärkung der Lauffeld- möglichst gleichbleibende Gesamtverstärkung der strecke keine Rolle spielen. Bei dieser bekannten Signalenergie, die dem Hohlraumresonator 17 der M Röhre ist deshalb kein breitbandiger Betrieb möglich. Klystronstrecke zugeführt wird, in einem relativ '

Durch die Erfindung soll demgegenüber eine Röhre breiten Frequenzband zu erreichen,
der bekannten Art verfügbar gemacht werden, die 25 Die Verstärkungskennlinie (26 in Fig. 2) der eine gleichförmige Gesamtverstärkungskennlinie und mehrkammerigen, versetzt abgestimmten Klystroneinen hohen Wirkungsgrad innerhalb eines relativ strecke 15 verläuft so, daß sie die Verstärkungskennbreiten Frequenzbandes hat, und diese Aufgabe wird linie (25 in Fig. 2) der Lauffeldstrecke 16 erfinerfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Betriebs- dungsgemäß ergänzt, und umgekehrt. Ersichtlich befrequenzbereich sowohl die Verstärkungskennlinie 30 ginnt die Verstärkungskennlinie 25 der Kleeblattder Klystronstrecke als auch die Verstärkungskenn- strecke 16 bei einer Frequenzabweichung von mehr linie der Lauffeldstrecke ausgeprägte Ein- und Aus- als 2% von der Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbuchtungen aufweisen und die Bemessung dieser bandes schnell abzufallen. Wenn also eine gleichblei-Strecken so ist, insbesondere auch die Resonatoren bende Gesamtverstärkung in einem breiten Frequenzder Klystronstrecke so abgestimmt sind, daß die Ver- 35 band erzielt werden soll, muß die Verstärkung im Stärkungskennlinie der Klystronstrecke zur Verstär- Bereich der Bandkanten erhöht werden. Dementkungskennlinie der Lauffeldstrecke derart supplemen- sprechend wird die Verstärkungskennlinie 26 der tär verläuft, daß die Gesamtverstärkung der Röhre Klystronstrecke 15 etwa gemäß F i g. 2 gewählt, so im Betriebsfrequenzbereich weitgehend gleichblei- daß sie die Verstärkung der Lauffeldstrecke 16 in der bend ist. Unter »supplementär« wird dabei verstan- 40 gewünschten Weise ergänzt.

den, daß Einbuchtungen der Kennlinie der Lauffeld- Die Hohlraumresonatoren 17 bis 20 sind, um die strecke im Durchlaßbereich Ausbuchtungen der erforderlichen Verstärkungsabweichungen im BeKennlinie der Klystronstrecke gegenüberliegen und reich der Bandkanten bezüglich der Verstärkungs- * umgekehrt. kennlinie 25 der Lauffeldstrecke 16 zu schaffen, auf f

Bei einer so ausgebildeten Röhre ist ein breitban- 45 Frequenzen abgestimmt, die in Fig. 2 durch die digerer Betrieb möglich als mit der Klystronstrecke Pfeile an der Abszisse angedeutet sind. Sie sind oder der Lauf feldstrecke allein; es ist beispielsweise außerdem stark belastet, vorzugsweise durch Strahleine Gesamtverstärkungskennlinie erzielt worden, belastung, so daß sie Gütefaktoren (im belasteten Zudie über eine Frequenzabweichung von ±6% von stand) von, wie in Fig. 2 angegeben, weniger als der Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbereiches der 50 200 haben, und der Strahl-Koppelkoeffizient beträgt Röhre auf 1 db geradlinig ist. M=0,8, wie ebenfalls in F i g. 2 angegeben.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter- Die Verstärkungskennlinien 25 und 26 der Laufansprüchen aufgeführt. feldstrecke 16 und der Klystronstrecke 15 sind die

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher Kleinsignal-Verstärkungskennlinien, die einer Recherläutert werden; es zeigt 55 nung leichter zugänglich sind als die Großsignal-

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungs- Verstärkungskennlinien, die an sich die Verstärkungsgemäße Verstärkerröhre, kennlinien der Röhre im normalen Betriebszustand

F i g. 2 Verstärkungskennlinien einer erfindungs- genauer darstellen. Die Kleinsignal-Verstärkungsgemäßen Röhre im Vergleich zu denen einer bekann- kennlinien sind jedoch im allgemeinen ein hinreichenten Röhre und 60 der Anhalt für den Verlauf der Großsignal-Verstär-

F i g. 3 die Frequenzabhängigkeit der Spitzenaus- kungskennlinien; die Großsignal-Verstärkungskenn-

gangsleistung, des Wirkungsgrades und der Verstär- linien zeigen nur weniger deutliche Abweichungen

kung einer erfindungsgemäßen Röhre im Vergleich hiervon. Mit anderen Worten, eine Großsignal-Ver-

mit der bekannten Röhre. Stärkungskennlinie kann dadurch angenähert erhal-

In F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfin- 65 ten werden, daß die Zacken und Einbuchtungen der

dungsgemäße Röhre dargestellt. Die dargestellte Kleinsignal-Verstärkungskennlinie abgerundet und

Röhre enthält ein übliches Elektronenstrahlerzeu- ausgeglichen werden,

gungssystem 1, das einen Elektronenstrahl über einen Die Gesamt-Großsignal-Verstärkungskennlinie der

ORIGINAL INSPECTED

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Röhre nach F i g. 1 ist als Kurve 27 in F i g. 2 dar- strecke 16 zum Auffänger 3, wo er aufgefangen wird, gestellt. Diese Gesamtverstärkungskennlinie der Die zu verstärkende Signalenergie wird dem ersten Röhre zeigt, daß die Verstärkung über ein Band von Hohlraumresonator 17 über eine koaxiale Eingangs-10% der mittleren Betriebsfrequenz der Röhre im leitung 41 und eine Koppelschleife 42 zugeführt. Die wesentlichen gleichbleibend ist, was eine erhebliche 5 dem Hohlraumresonator 17 zugeführte Signalenergie Verbesserung hinsichtlich breitbandiger Verstärker- moduliert den Strahl in der Geschwindigkeit; diese röhren darstellt, weil es hiermit möglich wird, eine Modulation wird beim Durchgang durch die erste konstante Treiberleistung im gesamten Betriebs- Driftröhre 43 in bekannter Weise in eine Stromdichte-Frequenzbereich zu verwenden, um weitgehend modulation des Strahls umgewandelt. Die folgenden gleichbleibende Spitzen-Ausgangsleistung mit relativ io Hohlraumresonatoren 18, 19 und 20 dienen dazu, hohem Wirkungsgrad zu erzielen. Bisher war es — den Strahl in der bei Klystrons üblichen Weise weiterselbst bei einem kleineren Betriebs-Frequenz- hin in der Geschwindigkeit zu modulieren, um die bereich — erforderlich, die Signalleistung im Bereich Dichtemodulation des Strahls beim Durchlaufen der der Bandkanten um 5 bis 10 db zu erhöhen. Bei Ver- folgenden Driftröhren 44 zu vergrößern. Nach Verwendung einer erfindungsgemäßen Röhre kann daher 15 lassen der letzten Driftröhre 44 tritt der auf diese der Signalgenerator (nicht dargestellt) wesentlich ver- Weise ausgeprägt mit der Signalenergie dichtemodueinfacht werden, da er nur noch konstante Ausgangs- lierte Strahl in die Lauffeldstrecke 16 ein. Vorzugsleistung im gesamten Betriebsfrequenzbereich der weise ist der Abstand L von der Mitte des Spaltes Röhre zu liefern hat, was bei den zum Betreiben der des letzten Klystron-Hohlraumresonators 20 zur Klystronstrecke 15 benötigten niedrigen Leistungs- 20 Mitte der ersten Kleeblattsektion 21 so kurz wie mögpegeln von einigen Watt bis einigen hundert Watt lieh; die vorerwähnten Betriebsdaten der Röhre nach leicht erreichbar ist. F i g. 1 wurden mit einem L—38° reduzierter Plasma-

Die Gesamt-Verstärkungskennlinien der eingangs wellenlänge erhalten.

erwähnten bekannten Röhre (»Proceedings of the Der dichtemodulierte Strahl erregt in bekannter

IRE«, Februar 1960, S. 263) ist als Kurve 28 in 25 Weise ein Signal auf der Verzögerungsleitung der

F i g. 2 dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, daß die Lauffeldstrecke 16. Das Signal bewegt sich auf der

1-db-Bandbreite der Verstärkungskennlinie dieser Verzögerungsleitung in der Vorwärtsrichtung mit dem

bekannten Röhre etwa 0,5% beträgt. Es ist hierzu Elektronenstrahl, wobei in bekannter Weise durch

noch zu erwähnen, daß die Verstärkungskennlinie Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl eine wach-

der Lauffeldstrecke der bekannten Röhre mit wach- 30 sende Welle auf der Verzögerungsleitung erzeugt

sender Frequenz abfällt, wie durch die Kurve 29 an- wird. Die verstärkte Signalenergie wird am rechten

gedeutet ist. Sichtlich ist hier die Gesamt-Verstär- Ende von der Verzögerungsleitung abgenommen und

kungskennlinie der Röhre nicht gegenüber der Ver- über einen Hohlleiter-Impedanz-Transformator 45

Stärkungskennlinie der Lauffeldstrecke allein ver- und einen sich erweiternden Hohlleiter 46 zu einer

bessert. 35 Ausgangsfensteranordnung 47 geleitet, deren wellen-

In F i g. 3 ist die Frequenzabhängigkeit der Spitzen- durchlässiges Fenster 48, beispielsweise aus gebrannausgangsleistung, des Wirkungsgrades und der Ver- ter Tonerde, vakuumdicht eingesetzt ist. Nach Durchstärkung der Röhre nach Fig. 1 im Vergleich mit der tritt durch das Fenster 48 wird die Wellenenergie an bekannten Röhre dargestellt. eine nicht dargestellte Last weitergeleitet.

Die erfindungsgemäße Röhre liefert 6,8 MW Spit- 40 Die Innenflächen aller Sektionen 21 der Kleeblatt-

zenleistung zwischen Punkten mit 1 db Abfall inner- Lauffeldstrecke 16 mit Ausnahme der letzten Sek-

halb eines Frequenzbandes von 8% (Kurve 32). Dem- tionen sind mit Verlustmaterial bedeckt, beispiels-

gegenüber liefert die bekannte Röhre nur eine weise Kanthai A (5% Aluminium, 22% Chrom,

Spitzenleistung von unter 0,5MW innerhalb eines 0,5% Kobalt, Rest Eisen). Die Verlustschicht wird

Frequenzbandes von weniger als 2% (Kurve 33). 45 über die Innenfläche der Sektionen 21 gesprüht, bis

Durch die Erfindung wird auch ein erheblich bes- eine Stärke von 0,125 mm erreicht ist.
serer und gleichbleibenderer Wirkungsgrad in einem Die Erfindung ist auch auf Röhren anwendbar, bei relativ breiten Frequenzbereich verfügbar gemacht. denen die Lauffeldstrecke 16 eine Verstärkungskenn-So zeigt für die Röhre nach F i g. 1 die Kurve 34 in linie hat, die sich von der einer Kleeblattleitung unter-F i g. 3 einen maximalen Wirkungsgrad von 48 % 50 scheidet. Ein Beispiel für eine solche Verzögerungsund einen nahezu gleichförmigen Verlauf zwischen leitung ist die »langschlitzgekoppelte Leitung« (Stan-Punkten mit 1 db Abfall in einem Frequenzbereich ford University Microwave Laboratory, W.W. Hanvon 8%. Dem Wirkungsgrad der bekannten Röhre sen, Laboratory of Physics, 1^st and 2^nd Annual entspricht die Kurve 39, d. h., diese bekannte Röhre Report for period July 1958 to June 1960, »Devehat einen maximalen Wirkungsgrad von nur 17% in 55 lopment of High Power Broadband Tubes and einem Frequenzbereich von nur 0,5 %. Related Studies« under Air Force contract AF 301

Die Gesamtverstärkungskennlinie der Röhre nach (602)-1844, Januar 1961, S. 93 bis 124). Die lang-

F i g. 1 ist in F i g. 3 als Kurve 36 dargestellt, woraus schlitzgekoppelte Leitung wird durch eine Folge von

sich eine praktisch gleichbleibende Verstärkung in Hohlraumresonatoren gebildet, die über Koppel-

einem Frequenzbereich von 10% ergibt. Die Gesamt- 60 schlitze in benachbarten Hohlraumresonatorwänden

Verstärkungskennlinie der bekannten Röhre ist mit elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Die

37 bezeichnet: aus ihr ergibt sich, daß die Verstär- Koppelschlitze befinden sich bei bestimmten Fre-

kung zwischen Punkten mit 1 db Abfall sich nur über quenzen unterhalb des Betriebsfrequenzbereiches der

einen Frequenzbereich von 0,5 % erstreckt. Röhre in Resonanz, d. h., die Schlitze sind »lang«,

Beim Betrieb der Röhre nach F i g. 1 verläuft der 65 verglichen mit der halben Wellenlänge der mittleren

vom Elektronenstrahlerzeugungssystem 1 ausgehende Betriebsfrequenz der Röhre. (Das steht im Gegensatz

Elektronenstrahl längs des Weges 2 durch die zu der normalen Verzögerungsleitung mit schlitz-

Anode6, die Klystronstrecke 15 und die Lauffeld- gekoppelten Hohlraumresonatoren, bei denen die

Schlitze »kurz« gegenüber der halben Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz der Röhre sind, so daß die Resonanzfrequenz der Schlitze oberhalb des Betriebsfrequenzbereiches der Röhre liegt.) Bei diesem Verzögerungsleitungstyp verringert sich die Verstärkung mit wachsender Frequenz im Durchlaßband der Leitung, ähnlich der Kurve 29 in F i g. 2. Bei Benutzung einer solchen Leitung muß daher die Klystronstrecke 15 so bemessen werden, daß sie eine mit wachsender Frequenz entsprechend größer werdende Verstärkung im Durchlaßband der Röhre liefert, damit die Verstärkung der Klystronstrecke die Verstärkung der Lauffeldstrecke erfindungsgemäß ergänzt, so daß wieder eine weitgehend gleichbleibende Gesamtverstärkung im Betriebsfrequenzbereich der Röhre ermöglicht ist. Dazu muß der am weitesten strahlaufwärts liegende Hohlraumresonator 17 der Klystronstrecke weiter zum unteren Ende des Betriebsfrequenzbereichs der Röhre hin abgestimmt werden, als in F i g. 2 dargestellt ist, wogegen die übrigen Hohlraumresonatoren weiter zum oberen Ende des Frequenzbandes hin abzustimmen sind.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Langgestreckte Mikrowellen verstärkerröhre mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem am einen und einer Auffangelektrode am anderen Röhrenende, bei der der Elektronenstrahl zunächst eine Mehrkammerklystronstrecke mit versetzt abgestimmten Resonatoren durchsetzt, in der der Elektronenstrahl durch das zu verstärkende Signal so vormoduliert wird, daß er beim Austritt aus der Klystronstrecke eine ausgeprägte Dichtemodulation aufweist, und dann eine Lauffeldstrecke, die mit der Klystronstrecke nur über den Elektronenstrahl gekoppelt ist und in der die Verstärkung des Signals nach dem Lauffeldröhrenprinzip stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebsfrequenzbereich sowohl die Verstärkungskennlinie der Klystronstrecke als auch die Verstärkungskennlinie der Lauffeldstrecke ausgeprägte Ein- und Ausbuchtungen aufweisen und die Bemessung dieser Strecken so ist, insbesondere auch die Resonatoren der Klystronstrecke so abgestimmt sind, daß die Verstärkungskennlinie der Klystronstrecke zur Verstärkungskennlinie der Lauffeldstrecke derart supplementär verläuft, daß die Gesamtverstärkung der Röhre im Betriebsfrequenzbereich weitgehend gleichbleibend ist.

2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung der Lauffeldstrecke im Vorwärts-Grundwellenmodus arbeitet.

3. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung der Lauffeldstrecke ein Kreis mit negativer induktiver Kopplung ist.

4. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Teil der Innenfläche des Kreises mit einem Verlustmaterial überzogen ist.

5. Röhre nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge- λ kennzeichnet, daß der Kreis Kleeblattstruktur \ besitzt.

6. Röhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Resonatoren der Klystronstrecke auf die den beiden Bandkanten der Verstärkungskennlinie der Lauffeldstrecke entsprechenden Frequenzen abgestimmt sind.

7. Röhre nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren der Klystronstrecke Hohlraumresonatoren sind, von denen wenigstens drei im Betriebszustand einen Gütefaktor von weniger als 200 haben.

8. Röhre nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der am weitesten strahlaufwärts liegende Resonator der Klystronstrecke auf die niedrigste Resonanzfrequenz abgestimmt ist und den kleinsten Gütefaktor hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen