DE2719311B2

DE2719311B2 - Rückwärtswellen-Oszillatorröhre

Info

Publication number: DE2719311B2
Application number: DE2719311A
Authority: DE
Inventors: Pierre Orsay Guenard (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1980-11-13
Also published as: DE2719311C3; FR2349948B1; FR2349948A1; US4149107A; GB1555216A; DE2719311A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre mit einer längs eines zwischen einer Kathode und einem Kollektor verlaufenden Elektronenstrahls angeordneten, zweiteilig ausgebildeten Verzögerungsleitung, deren Teile unterschiedliche Länge aufweisen und bei welcher der Verbraucher der erzeugten Hochfrequenzenergie an dem der Kathode zugewandten Ende des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung angeschlossen ist.

Eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre dieser Art ist aus der US-PS 29 70 241 bekannt. Diese Röhre kann wahlweise je nach Größe des Strahlstromes als Verstärkerröhre oder als Oszillator arbeiten. Der dem Kollektor benachbarte Teil der Verzögerungsleitung ist wesentlich langer als der andere Teil, welcher der Kathode benachbart ist. Im Betrieb als Oszillatorröhre ergeben sich hierbei sehr ungünstige Verhältnisse, da die Hochfrequenzenergie nicht an der Stelle abgegriffen wird, wo sie über die Länge des betreffenden Teiles der Verzögerungsleitung hinweg ihr Maximum erreicht. Um dies verständlich zu machen, sei zunächst an einige allgemeine Begriffe von Lauffeldröhren erinnert. In diesen Röhren erfolgt eine Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer Verzögerungsleitung mit periodischer Struktur, die gegenüber dem Strahl angeordnet ist und längs welcher sich eine elektromagnetische Energie fortpflanzt Die bewußte Wechselwirkung erfolgt zwischen den Komponenten des elektromagnetischen Feldes, das in der Nähe der Verzögern rungsleitung herrscht, und dem Elektronenstrahl, wenn die Phasengeschwindigkeit dieser Komponenten etwa gleich der der Elektronen des Strahls ist und dieselbe Richtung wie diese hat
In den Lauffeldröhren, die als Vorwärtswellenröhren arbeiten, hat die Ausbreitung der Energie entlang der Verzögerungsleitung auch dieselbe Richtung wie die Geschwindigkeit der Flektronen des Strahls. In den Lauffeldröhren, die als Rückwärtswellenröhren arbeiten, hat sie dagegen die entgegengesetzte Richtung.

Unter den vorgenannten Komponenten gibt es aber wenigstens eine, deren Phasengeschwindigkeit negativ ist d. h. deren Richtung zu der der Energieausbreitung entgegengesetzt ist und somit gleich der Ausbreitungsrichtung des Strahls ist. Während in diesen letztgenann-

2ί ten Röhren sich die Energie zu demjenigen Ende der Verzögerungsleitung hin ausbreitet, durch das der Strahl in den Wechselwirkungsraum eintritt hat die Phasengeschwindigkeit der einen dieser Komponenten die Richtung des Strahls. Wenn eine solche Komponente die vorherrschende Komponente bei der bewußten Wechselwirkung ist, wird die Röhre als Rückwärtswellenröhre bezeichnet und die Leistung wird an demjenigen Ende entnommen, das zu dem entgegengesetzt ist, über das der Strahl den Wechselwirkungsraum verläßt, d. h. an demjenigen Ende, das der Kathode benachbart ist, von der er ausgegangen ist. Diese beiden Arten von Röhren sind bekannt, und die letztgenannte Art ist beispielsweise in der FR-PS 10 35 379 beschrieben.

■•η Die Lauffeldröhren, die als Rückwärtswellenröhren arbeiten, bieten den Vorteil, daß sie ein sehr breites Band für eine elektronische Abstimmung haben, das kontinuierlich durch die Parameter einstellbar ist, von denen die Geschwindigkeit der Elektronen abhängt,

d. h. die Spannung der Verzögerungsleitung, wenn allein ein elektrisches Feld zum Antreiben der Elektronen benutzt wird, oder das elektrische Feld und das magnetische Feld, wenn, wie in den Röhren mit gekreuzten Feldern, diese beiden Arten von Feldern auf

so den Strahl einwirken.

Die Arbeilen der Anmelderin haben gezeigt, daß die Eigendämpfung der im Millimeterwellen- und Submillimeterwelienbereich benutzten Verzögerungsleitungen häufig sehr hoch ist und isgesamt etwa hundert Dezibel erreichen kann. Das drückt sich, insbesondere in den Rückwärtswellenröhren, durch eine Ausgangsleistung, die mit der äußeren Belastung entnommen wird, welche mit der Verzögerungsleitung in einem Punkt gekoppelt ist, der nahe der Kathodenanordnung der Röhre liegt, aus, die unter besten Einstellbedingungen viel kleiner als diejenige ist, die nach den theoretischen Voraussagen erwEirtet worden ist, welche unter der Annahme einer verlustfreien Leitung gemacht worden sind. Auf diesen Punkt wird weiter unten noch näher eingegangen.

Zur Beseitigung dieses Nachteils hat man bereits die Länge der Verzögerungsleitung vergrößert, um die Länge der Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der Leitung zu vergrößern. Gleichzeitig werden

dadurch aber die Gesamtverluste in der Verzögerungsleitung erhöht, so daß schließlich keine nennenswerte Verbesserung erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rückwärtswellen-Oszillatorröhre zu schaffen, in der die Leitungsverluste aufgrund der Eigendämpfung der Verzögerungsleitung wesentlich geringer sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Rückwärtswelien-Oszillatorröhre der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß der Erfjsdung dadurch gekennzeichnet ist, daß i< > die Länge des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie von ihrem kollektorsei tigen Ende ausgehend bis zu ihrem kathodenseitigen Ende ihr Maximum erreicht und daß die Länge des der Kathode benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung wesentlich größer als die des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung und so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie an ihrem kollektorseitigen Ende und an ihrem kathodenseitigen Ende praktisch gleich Null ist, wobei das Maximum der Hochfrequenzenergie zwischen ihren beiden Enden liegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. 2^r>

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichr iing näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, welches die dem Stand der Technik innewohnenden Beschränkungen zeigen soll,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer Lauffeldröhre, und

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Rückwärtswellen-Oszillatorröhre nach der Erfindung. S5

F i g. 1 zeigt, wie die Verteilung der Leistung entlang der Verzögerungsleitung einer Rückwärtswellenröhre durch die Verluste entlang der Leitung modifiziert wird. Die Abszissenachse 2, deren Ursprung mit demjenigen Ende der Verzögerungsleitung zusammenfällt, das sich nahe der Kathode befindet, hat die gleiche Richtung wie die Ausbreitungsrichtung des Strahls. Auf der Ordinatenachse sind das Verhältnis des elektrischen Wechselfeldes E der Verzögerungsleitung in jedem Punkt der Leitung zu dem maximalen elektrischen Feld E_n, (mit ausgezogenen Linien dargestellte Kurven) und das Verhältnis der Wechselstromstärke /in dem Strahl zur maximalen Wechselstromstärke I_n, (gestrichelte Kurven) in dem Fall einer verlustfreien Leitung (Kurven A) und einer verlustbehafteten (Kurven ß^dargestellt. ^r>o

Während in einer Röhre mit verlustfreier Verzögerungsleitung das elektrische Feld und die Leistung der Welle in dem Abszissenpunkt Null maximal sina, d. h. am Ende der Verzögerungsleitung in der Nähe der Kathode der Röhre, das im wesentlichen mit dem Ort « der Belastung zusammenfällt, mit der diese Leistung entnommen wird (Kurve A), zeigt die Kurve P, daß in dem Fall, in welchem diese Leitung Verluste aufweist, dieses Maximum in einem von dem Ursprung entfernten Punkt auftritt. Dieser Punkt ist um so weiter von dem ω Ursprung entfernt, je größer die Verluste in der Leitung sind. Unter diesen Bedingungen ist die in der Belastung gewonnene Leistung viel geringer als die maximale Leistung der theoretischen Kurve A, wie die Höhe des Abszissenpunktes Null auf der mit ausgezogener Linie ^h5 dargestellten Kurve Bzeigt.

Zur Vermeidung dieser Verschiebung und des sich daraus ergebenden und weiter oben an^cebenen Nachteils hinsichtlich des maximalen Auogangspegels wird gemäß der Erfindung die Verzögerungsleitung von Rückwärtswellenröhren aus zwei Teilen hergestellt, die in einer Linie in der Richtung des Elektronenstrahls angeordnet sind, wie im folgenden beschrieben.

Zuerst wird kurz der Gesamtaufbau einer Lauffeldröhre beschrieben, der in Fig. 2, weiche eine schematische Schnittansicht zeigt, dargestellt istin Fig.2 bezeichnet die Bezugszahl 1 die Kathode der Röhre von der im Betrieb der Elektronenstrahl (schraffierte Fläche) ausgegangen ist, welchem durch eine Wehnelt- oder Fokussierungselektrode 2, die die Kathode umgibt, eine Anfangskonvergenz gegeben wird. Der Strahl wird zu dem Eingang des Tunnels 3 hin, der zwischen einer durch ein gezahntes Rechteck 4 dargestellten Verzögerungsleitung der Röhre und einer der Verzögerungsleitung gegenüberliegenden plattenförmigen Elektrode 5 liegt, durch eine Gleichpotentialdifferenz Vo beschleunigt, welche an diesen beiden letztgenannten Elementen, die ais Anode dienen, und der Kathode 1 oder dem Bezugspotential Null anliegt In dem Beispiel von F i g. 2 wird eine Elektrode 6, die in der Nähe der Kathode angeordnet ist und dieser gegenüber auf einem Potential liegt, das ein kleiner Bruchteil des Gleichpotential V₀ ist, etwa in der Größenordnung eines Hundertstels, zum Steuern der Intensität des Strahls benutzt. Der Elektronenstrahl wird jenseits des Tunnels 3 durch den Kollektor 7 aufgefangen, der durch eine nicht dargestellte Quelle auf ein geeignetes Potential gegenüber der Kathode gebracht wird. Ganz allgemein sind weder die Quellen noch ihre Verbindungen mit den sie gemäß dem Stand der Technik speisenden Elektroden in F i g. 2 dargestellt worden. Der zwischen den Elektroden 4 und 5 gelegene Teil ist der UHF- oder Höchstfrequenzteil der Röhre. Die Darstellung der Verzögerungsleitung durch das gezahnte Rechteck 4 entspricht dem Fall einer in der Höchstfrequenztechnik bekannten Verzögerungsleitung mit Rippen. Es sind an sich bekannte Einrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen, die die natürliche Divergenz des Strahls unter der Einwirkung der Raumladung verhindern und den Strahl im Innern des Tunnels 3 auf der gesamten erforderlichen Länge kanalisieren.

In dem Schema von F i g. 2 sind weder eine Belastung für die Entnahme der Ausgangsenergie der Röhre noch ein Eingang dargestellt, weil F i g. 2 lediglich allgemein den Aufbau von Lauffeldröhren zeigen soll, und zwar ungeachtet dessen, ob es sich um Vorwärtswellen- oder Rückwärtswellenröhren handelt und ob sie als Oszillator, Verstärker usw. arbeiten.

Diese Punkte werden anhand der Variante der Erfindung, die nun als nicht einschränkendem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf F i g. 3 beschrieben wird, näher erläutert.

F i g. 3 zeigt wieder die Elemente von F i g. 2 mit ihren Bezugszeichen. Aber, während in F i g. 2 die Verzögerungsleitung 4 aus einem einzigen Verzögerungsleitungsabschnitt bestand, enthält der Aufbau von F i g. 3 zwei voneinander getrennte Abschnitte, die die Bezugszahlen 40 und 42 tragen und in einer Linie in der Fortpflanzungsrichtung des Strahls angeordnet sind. In der Röhre von Fig. 3 arbeiten die beiden Teile 40 und 42 der Leitung im Rückwärtswellenbetrieb. Die Röhre enthält zwei Abschnitte I und II, die in derselben Vakuumhülle vereinigt sind, welche in den schematischen Darstellungen in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellt ist.

Der erste Abschnitt ! der Röhre bet keinen Auswar**⁷.

Die Kenndaten des Verzögerungsleitungsabschnittes 40 sind nämlich so ausgelegt, daß die Ausgangsleistung auf der Höhe desjenigen Endes des Verzögerungsleitungsabschnittes 40, das sich nahe der Kathodenanordnung 1, 2, befindet, praktisch Null ist. Das entspricht dem Fall, in welchem die Kurve des Feldes entlang des Teils 40 der Verzögerungsleitung des Abschnittes I sich wie die mit ausgezogener Linie in F i g. 1 dargestellte Kurve B darstellen würde und die Ordinatenachse nahe dem Ursprung O\ schneiden würde. Praktisch wird dann keine Leistung in dem Abschnitt I der Röhre erzeugt, dessen Auswirkung in dieser Hinsicht fast Null ist. Dieser Abschnitt bewirkt allein eine Modulation des Elektronenstrahls vor seinem Eintritt in den Abschnitt II. Der Abschnitt I dient als Modulator für den Strahl, der somit bereits eine Wechselkomponente hat, wenn er in den zweiten Verzögerungsleitungsteil 42 des Abschnittes Il eintritt. Dieser Abschnitt arbeitet als Rückwärtswellenoszillator. Das Vorhandensein dieser Komponente gestattet, die Länge dieses Teils zu reduzieren, wobei gleichzeitig über eine Endmodulationsliefe verfügt wird, die ausreicht, um einen Leistungspegel in der Röhre zu erzeugen, der durch die Eigenverluste der Verzögerungsleitung weniger beeinflußt wird als in den bekannten Röhren mit nur einer einzigen Verzögerungsleitung. Diese Leistung wird in der Belastung 8 gewonnen, die an dem linken Ende des Teils 42 der Leitung montiert ist. In einer Variante der Erfindung wird dieser Teil auf das gleiche Potential wie der Teil 40 gegenüber der Kathode der Röhre gebracht. Der Teil 42 weist dann in diesem Fall die gleichen elektrischen Kenndaten sowie einen Verzögerungsfaktor und eine Teilung, die insbesondere gleich denen des Teils 40 sind, auf. Seine Länge ist kleiner als die des Teils 40 und im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem Nulleistungspunkt und dem Punkt maximaler Leistung der Kurve, wie etwa der Kurve S(F i g. 1), die ihm entspricht Diese Länge ist kleiner als die Länge, die erforderlich wäre, um ein Signal hoher Frequenz mit einem Strahl zu erzeugen, der nicht bereits am Eingang dieses Teils moduliert worden ist.

Aus verschiedenen Gründen ist es im allgemeinen erforderlich, für den optimalen Betrieb eine geringfügige Potentialdifferenz zwischen den beiden Verzögerungsleitungsabschnitten 40 und 42 in der Größenord-

^r) nung eines Hundertstels der Spannung Vo vorzusehen. Diese Variante liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung. In Fig.3 ist die vorgesehene Potentiometerschaltung dargestellt, mittels welcher sich beide Varianten realisieren lassen: die Bezugszahlen 9 und 10 bezeichnen

κι in F i g. 3 die Anschlüsse der Abschnitte 40 und 42 der Verzögerungsleitung. während die Bezugszahl 12 das an die Klemmen der Quelle, die selbst nicht dargestellt ist, angeschlossene Potentiometer bezeichnet. Die Bezugszahl 14 bezeichnet einen Absorber, der in bekannter

ii Technik hergestellt ist, den Verzögerungsleitungsabschnitt 42 abschließt und die Aufgabe hat, jede Reflexion der Wellen an dem Ende dieses Abschnittes zu vermeiden.

Vorstehende Darlegungen gelten auch für Röhren, in denen der Elektronenstrahl der doppelten Einwirkung eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes ausgesetzt ist, die unter einem rechten Winkel gekreuzt sind, wie in der Lauffeldröhrentechnik bekannt und in der eingangs zitierten französischen Patentschrift beschrieben.

Die Erfindung ist bei der Schaffung von breitbandigen HF-Rückwärtswellenfunkgeneratoren anwendbar, deren Frequenz durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strahls längs der Verzögerungsleitung einstellbar

jo ist, und insbesondere zur Schaffung von Millimeter- und Submillimeterwellengeneratoren. Sie gestattet eine wesentliche Verbesserung der Ausgangsleistung. Beispielsweise bei 1000 GHz und mit zwei Verzögerungsleitungsteilen 40 und 42 mit einer Länge von 16 mm bzw.

r, 3 mm liegt die in der Belastung 8 (Fig.3) gewonnene Ausgangsleistung in der Größenordnung von 10 mW, während sie in einer mit dem linken Ende einer Röhre derselben Länge, die eine Verzögerungsleitung aus einem einzigen Teil aufweist, gekoppelten Belastung nur

•f'i 0,1 mW betragen würde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rückwärtswellen-Oszillatorröhre mit einer längs eines zwischen einer Kathode und einem Kollektor verlaufenden Elektronenstrahls angeordneten, zweiteilig ausgebildeten Verzögerungsleitung, deren Teile unterschiedliche Länge aufweisen und bei welcher der Verbraucher der erzeugten Hochfrequenzenergie an dem der Kathode zugewandten Ende des dem Kollektor benachbarten Teiles der Verzögerungsleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Länge des dem Kollektor (7) benachbarten Teiles (42) der Verzögerungsleitung so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie von ihrem kollekiorseitigen Efcde ausgehend bis zu ihrem kathodenseitigen Ende ihr Maximum erreicht und

— daß die Länge des der Kathode benachbarten Teiles (40) der Verzögerungsleitung wesentlich größer als die des dem Kollektor (7) benachbarten Teiles (42) der Verzögerungsleitung und so bemessen ist, daß die in ihr erzeugte Hochfrequenzenergie an ihrem kollektorseitigen Ende und an ihrem kathodenseitigen Ende praktisch gleich Null ist, wobei das Maximum der Hochfrequenzenergie zwischen ihren beiden Enden liegt.

2. Rückwärtswellen-Oszillatorröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (42) der Verzögerungsleitung dieselben Kenndaten, einschließlich des Verzögerungsfaktors, aufweist wie der erste Teil (40).

3. Rückwärtswellen-Oszillatorröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls (3) auf der gesamten Länge seiner Bahn von der Kathode (1) zum Kollektor (7) dieselbe ist.

4. Rückwärtswellen-Oszillatorröhre naeh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls (3) entlang des zweiten Teils (42) der Verzögerungsleitung etwas geringer ist als entlang des ersten Teils (40).