DE881532C - Ultrakurzwellenschaltung, insbesondere Verstaerkerschaltung, unter Verwendung einer Wanderfeldroehre mit einem Wellenleiter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wanderfeldröhren! für fortschreitende Wellen,, die als Verstärker, Schwingungserzeuger und für den Empfang von Ultrakurzwellen Anwendung finden, können

Die bekannten Wanderfeldröhren, besitzen einen Ein- und Ausgangskreis E, S, zwischen denen sich eine Verzögerungsleitung befindet, die von· einer fortschreitenden Welle mit der Geschwindigkeit v_v durchlaufen wird, und einen Elektronenstrahl, welcher parallel zur Verzögerungsleitung mit der gleichen Geschwindigkeit v_e wie der fortschreitenden Welle läuft, und der während seines ganzen Laufes von; E nach S mit dem Hochfrequenzfeld der Welle in Wechselwirkung steht.

Diese Bedingung v_e = v_p stellt eine Unzuträglichkeit bei; den bisher bekannten. Röhren: dar, weil die Geschwindigkeit der Elektronen! proportional dem Quadrat der Beschleunigungsspannungen ist und eine Verminderung der Spannung nur in· dem Falle zulässig ist, wo dieiPhasetngeschwindigkeitfp in dam gleichen Maße verringert wird; Dies ist aber nicht nach Belieben möglich. Wenn z. B, die Verzögerungsleitung aus einer zylindrischen Wendel besteht, so müßte, um die Geschwindigkeit v_p herabzusetzen, der Windüngsabstand α verringert oder besser ihr Durchmesser d vergrößert werden (Fig. i, wo der Pfeil die Richtung des Elektronenstrahls' und der fortschreitenden Welle anzeigt; C ist die Kathode, E und 5" sind Ein- und

Ausgang der Verzögerungsleitung). Die Verminderung des Windungsabstand'es¹· hat eine Verschiebung des Wellenfeldes zur Folge, da die Wendel zusammengezogen wird und die Zunahme des WindungsdurchmesseirS' vergrößert die Entfernung· zwischen der Achse des Elektronenstrahls und der Verzögerungsleitung. Diese Unzuträgliichkeiten treten nicht nur in Wanderfeldröhren mit geradlinigem Elektronenstrahl auf, sondern auch bei ίο Wanderfeldröhren mit magnetischem Feld, in welchem sich eine Kreisbewegung über die geradlinige Bewegung der Elektronen überlagert.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die genannten Nachteile. Sie hat zum Gegenstand eine Wanderfeldröhre, die eine Emissionskathode und. als Anode eine Verzögerungsleitung in Form einer Wendel mit Ein- und Ausgangskreis besitzt, deren. Länge von dear Frequenz der Bmpfangswelle unabhängig ist. Die Emissionskathode und die Anode sind koaxial zueinander in der Weise angeordnet, daß die Achse der Kathode sich in Richtung der Achse der Anode zwischen deren Ein- und Ausgangskreis erstreckt. Die Kathode führt das Potential Null, während die Anode sich gegenüber der Kathode auf positivem Potential befindet.

Das Feld zwischen der Anode und Kathode ist so gerichtet, daß die Elektronen eine hin, und her gehende periodische Bewegung in senkrechterRichtung zu dar Fortpflanzungsrichtung der Welle ausführen und keine in Richtung der Wendelachse. Der Energieaustausch zwischen· den Elektronen! und der fortschreitenden Welle vollzieht sich mittels der transversalen Komponente dies Hochfrequenzfeldes. Die Fig. 2 zeigt die augenblickliche Verteilung des Hochfrequemzfeldes der Welle, die sich längs der zylindrischen Wendel H fortpflanzt. a, a_x zeigt die Lage der longitudinalen Feldkompooente, während die transversale Feldkomponente, welche senkrecht auf der Leitung steht, die periodische Pendelbewegung der Elektronen parallel zu b, b_± hervorruft. Die für die Biewegung der Elektronen notwendige Energie wird durch eine Gleichspannungsquelle geliefert. Wird ein magnetisches Steuerfeld gewählt, so beschreiben die Elektronan Bahnkurven in Ebenen senkrecht zur Achse (Fig. 3 b), wie sie bei ,einem Magnetron! mit geschlitzter Anode auftreten. Der Energieaustausch mit der Empfangswelle findet gleichfalls vom Einzum Ausgang der Wendel statt und steigert sich, da in jedem Augenblick neue Elektronen in Wechselwirkung mit der Welle treten. Es ist also nicht notwendig, daß· die Wellengeschwindigkeit auf der Verzögerungsleitung einen bestimmten Wert erhält. Es kann aiuch eine dritte zylindrische Elektrode koaxial mit dem beiden, anderen angeordnet werden:, die ein etwas höheres· Potential führt. Ist diese dritte Elektrode mit einer Emissionsschicht bedeckt, so kann, sie auch mit der ursprünglichen Kathode vertauscht werden,.

Wird eine Hilfselektrode angewendet, so steht der Schwingungsvorgang der Elektronen, in Analogie zur BarkhausenrKurz-Schaltung. Die Elektronen, pendeln gleichfalls in Ebenen senkrecht j zur Wendelachse und werden durch die Hilfselektrode reflektiert. Sie pendeln, zwischen der Kathode und der Wendel, bis sie von der letzteren abgefangen werden. Der Energieaustausch zwischen: Welle¹ und Elektron· findet in der gleichen Weise wie bed Wahl eines magnetischen Steuerfeldes statt. Die Röhre- arbeitet im beiden Fällen als Verstärker, wenn die Periode der Pendelung mit der der Welle übereinstimmt, und wenn man nach vollem Energ.ieaustaiusch die Elektronen aus dem Wechselwirkungsraum etwa durch Absorption, durch die Wendel entfernt.

Die Röhre nach der Erfindung ist scheimatisch in Längs- und Transversalschnitt durch die Fig. 3 und in vollständiger Weise durch die Fig. 3 a dargestellt. E und 6" sind Ein- und Ausgang der Verzögerungsleitung. In ihrer Achse befindet sich die Kathode, welche durch eine Hilfsbatterie ch geheizt wird. Ein konstantes magnetisches Feld B läuft parallel zur Achse. Gegenüber der Kathode C führt die Wendel H ein positives Potential Vd; siie wirkt also als Anode. Ist B = O, so bewegen sich die Elektronen, direkt nach der Anode. Wenn B ziemlich hoch ist, bewegen die Elektronen, sich um die Kathode und besitzen außerdem eine periodisch schwingende Bewegung" zwischen H und C, wie Fig. 3. anzeigt- Der transversal« Schnitt der Fig.3b stellt die Wegkurven 1, 2, 3 der Elektronen dar. Während dieser Bewegung bleiben die Elektronen in dem gleichen Schnitt, d. h. siie bewegen sich nicht längs der Achse der Kathode oder des magnetischen Feldes. In der Fig. 3 a wird der Anschluß des Eingangs E und des Ausgangs S der Verzögerungsleitung H mit Hilfe der koaxialen Leiter L₁ und' L₂ bewerkstelligt. B₁ und5₂ stellen schematisch dile Polschuhe eines Elektromagneten dar, der das magnetische Feld B parallel zur Kathode schafft. U₁ und U₂ sind die Anschlußklemmen für die Heizbatterie. Die Wendel H und die Kathode C sind an eine Gleichstromquelle Vd angeschlossen.

In der Fig. 4 stellt die untere Kurve die augenblicklichen Werte der Transvarsalkomponente des Feldes längs der Wendel dar. In Wirklichkeit setzt sich das Feld von E gegen S fort, während die Bewegung der Elektronen in dem gleichen, transversalen Schnitt vor sich geht, in welchem sie durch die Kathode emitiert sind. Die transversale Komponente des Hochfrequenzfeldes·, die auf die Elektronen einwirkt, ändert sich also im Rhythmus der Hochfrequenz. Hieraus folgt, daß die Elektronen während ihrer Pendelbewegung zwischen H und C fast denselben! Bedingungen, unterworfen· sind wie in einem Magnetron mit nicht geschlitzter Anode nach Fig. 5. A ist die Anode, in deren Achse die Kathode C angeordnet ist. B ist das- magnetische Feld. 1, 2, 3 sind die Bahnen der Elektronen. Der Schwingungskreis, ist durch die lao Kreiiiskonstanten C₁, C₂ und die Selbstinduktion, L angedeutet und zwischen C und A geschaltet. In der radialen, Richtung zwischen C und A ist ein stationäres Hochfrequenzfeld' wirksam. Der Mechanismus für die Elektronenbewegung ist in beiden Anordnungen im Prinzip der gleiche.

In der Schaltanordnung nach Fig. 3 ist es notwendig, daß die Dauer der Pendslbewegung der Elektronen gleich der Periode dar Wechselspannung ist. In der Formel

Ββαιιβ =

λ cm

(ι)

ist λ die Wellenlänge der Welle in cm, gemessen in Luft, A" ein Koeffizient von¹ der Ordnung 12 000, der in: gewissen Grenzen je nach d'er Verteilung des Feldes im Enitladungsraum sich ändern kann.. Das magnetische Feld ist also in erster Linie durch die Länge dler Welle bestimmt. Die Anodenspannung U_a, die zwischen H und C besteht, kann näherungsweise berechnet werden, wenn man, den Wert von B und die Radien der transversalen Schnitte von. H und C kennt :

U_a = 0,022 B°~n

ii - (~V

(2)

Sobald die Elektronen, eine gewisse Zahl von Schwingungen ausgeführt haben, ist es notwendig, sie aus dem Entladeraum zu entfernen. Das· kann dadurch erreicht werden, daß man den Elektronen eine Hilfsbewegung in dler Richtung gegen die Anode erteilt. Hierzu genügt eine schwache Neigung des magnetischen Feldes gegen die Kathode oder ein leicht streuendes magnetisches Feld'. Man kann gleichfalls die Streuung des kontinuierlichen Feldes benutzen, das mit Hilfe von speziellen Hilfskathodein oder einer geometrischen Asymmetrie im Aufbau der Röhre erhalten wird.

Für die Arbeitsweise der Röhre wäre eine Verzögerungsleitung an sich nicht notwendig. Es würde im Prinzip genügen, die Welle auf einer koaxialen Leitung laufen zu lassen, deren innerer Leiter die Kathode und deren äußerer Leiter die Anode bilden würde. Indessen, um eine genügende Dämpfung einer solchen Leitung zu erhalten und um sie genügend aperiodisch zu machen, müßte ihre Länge viel größer sein als diejenige der Verzögerungsleitung, und zwar in einem Verhältnis, welches gleich ist demjenigen zwischen Lichtgeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit, d. h. praktisch 10- bis 2omal größer. Das ist aber mit Rücksicht auf die Länge der Kathode praktisch schwer durchführbar, so daß eine Verzögerungsleitung aus den angegebeinen Gründen erforderlich ist.

Wenn der Abstand der Windungen α der Wendel H groß^; ist gegenüber dem Abstand C—H, so wird das elektrische Gleichfeld in der Richtung der Achse nicht gleichförmig. Das kann zu einem geringeren Wirkungsgrad im Energieaustausch führen. Die Fig. 6 stellt eine derartige Feldverteilung dar, in der die punktierten Linien die Kraftlinien bedeuten. Man kann indessen den. Einfluß des Abstandes der Windungen völlig kompensieren, wenn man die Wendel H mit einem Zylinder umgibt, der auf einer höheren. Spannung als derjenigen der Wendel-Anode gehalten wird. Wird die Spannung derart gewählt, daß die Wendel als äquipotentiale Elektrode betrachtet werden kann, so· bleibt die Feldverteilung in der Richtung der Achse konstant und entspricht etwa der Fig. 7. Wenn. man andere Werte für die Spannung wählt, erhält man Felder, die eine Zwischeniform zwischen denjenigen der Fig. 6 und¹ 7 besitzen!. Man kann: also mittels der Elektrode P auf die Elektronembewegung einwirken' und sie regeln.

Die Kathode C und der Außenzylinder P können auch miteinander vertauscht werden, wie es^; in. der Fig. 8 dargestellt ist. Eine derartige Anordnung erhält dann Bedeutung, wenn der Energieverlust in der Röhre beträchtlich ist und eine unzulässige Erhitzung der Kathode, durch Aufprall von Elektronen erfolgt (Rückwirkungsheizung). Man hat alsdann die Möglichkeit, nur einem Teil der Kathode aktiv zu machen, z. B-. aim enges Band C₁ (Fig. 9) parallel zur Achse. Obgleich die Elektronen in dem gleichen transversalen Schnitt verbleiben, bewegen sie sich in diesem Schnitt um die Achse in Richtung des Pfeiles 2, so daß' eventuell ein Abprall der Elektronen an- dem nicht emitierendem Teil der Kathode C erfolgen kann.

Man kann eine Pendelbewegung der Elektronen auch durch die Schaltanordnung nach Fig. 7 erhaltein, ohne daß ein magnetisches Feld erforderlich ist, indem an die Elektrode; P eine negative Spannung in bezug auf die Kathode angelegt¹ wird, während die Wendel eine positive Spannung erhält. Die Elektronen werden alsdann durch die negative Elektrode P reflektiert und pendeln zwischen P und der Kathode C, bis sie durch die Wendel H abge,'-fangen werden. Hierbei kann, sich die Wendel beträchtlich erhitzen, da ihre verlängerte Form nicht vorteilhaft ist, um, die Wärme abzuführen. Es ist also' vorteilhafter, ein Spezialgitter zu ge¹-brauchem, um die Bewegung der Elektronen zu beschleunigen und. die Wendel H durch Anlegen. einer negativen Spannung zur Reflektionselektrode umzuwandeln. In: diesem Falle kann der positiven Elektrode eine günstige Form gegeben werden., um die Wärme abzuführen. Um das Gleichfeld;¹ in, der axialen Richtung zwischen diesem Spezialgitter und der Wendel gleichförmig zu machen:, kann man der Elektrode P eine hohe negative Spannung geben¹. In Fällen, wo eine gute Wärmeableitung erstrebt wird, kann es vorteilhaft sein:, die Kathode C außerhalb zu legen, die Elektrode. P in die Systemachsel und einem positiven. Gitter eine möglichst große Oberfläche zu geben, während der Durchmesser der Wendel gering bleibt.

Ebenso' kann die Verzögerungsleitung am Stelle einer einfachen Wendel die Form, einer bifilaren Leitung erhalten.

Man kann' mit diesen Röhren eine Verstärkung selbst in dem Falle erhalten, wo die Schwingungsperiode der Elektronen offensichtlich geringer ist als die der durchlaufendem Welle,. Hieraus folgt, iao daß diese Röhren mit relativ niedrigen; Gleichspannungen bei sehr hohen Frequenzen und! genügend großen Abständen, der Elektroden arbeiten: können, da für einen festen Abstand die Spannungen proportional dem Quadrat der Schwingungsfrequenzen deir Elektronen) sind.

Die Elektronen können ihre Energie dem Wechselfeld der Welle bei schwachen Wechselspannungen nur in kleinen Mengen übertragen. Infolgedessen ist eine große Zahl von Schwingungen für jedes Elektron erforderlich, welches seine Energie abgibt. Es ist also zweckmäßig, daß dia Schwingungsperiode d!er Elektronen, dia ihre Energie abgeben, konstant und unabhängig von. der Amplitude ist, und daß dia Elektronen- die nicht die gewünschte ίο Phase besitzen, d.h. diejenigen, welche Energie dem Hochfrequenzfeld entnehmen, in Elektronen umgewandelt werden, dia die richtige Phase besitzen. Man erreicht dies, indem man¹ z.B. das Reflektionsfaid durch ein Hilfsgitter mit regelbarer Spannung deformiert.

Aus der Tatsache, daß· dia Röhren symmetrisch sind, folgt, daß eine Verstärkung ebensogut für eine Welle stattfinden kann, die sich von E nach 5 fortbewegt, wie für eine Welle, die sich umgekehrt von S gegen, E bewegt. Der Eingang und der Ausgang¹ sind' also vertauschbar. Dies· kann zur Selbsterregung führen, wann z. B. infolge ungenügender Anpassung des Nutzkreises am Ausgang der Verzögerungsleitung ein Teil der Energie eins Reflektion erfährt und von S nach E zurückkehrt.

Um die Gefahren: der Selbsterregung zu verringern, kanu man die Röhren asymmetrisch machen, was aber zur Folge hat, dlaß Eingang und Ausgang nicht mehr vertauscht werden können. Eine gewisse Unsymmetrie der Röhre mit magnetischem Feld wird dadurch erhalten,, daß die Elektronen um die Systemachse der Röhre eine Bewegung parallel zu einer Windung dar Wendel' vollführen (s. die Fig. 3 und 9). Wenn diese Bewegung in derselben Richtung wie die Fortpflanzung der Welle vor sich geht, und zwar von E nach S, so ist sie der Richtung der Fortpflanzung von S nach E der reflektierten Walle entgegengesetzt. Hieraus folgt, daß für die Schwingungsfrequenz der Elektronen gegenüber der' einfallenden Welle und der reflektierenden' Welle verschiedene Bedingungen entstehen. Wenn also eine Frequenz derart geregelt ist, daß sie für die Welle von E nach 5* vorteilhaft ist, so wird sie für die Welle, dia sich im entgegengesetzten Sinne bewegt, weniger günstig sein. Die Röhre ist alsdann unsymmetrisch. Wenn diese Unsymmetrie nicht genügt oder wenn sie von Anfang an nicht besteht, wie das dar Fall ist für Röhren ohne magnetisches Feld, so· müssen die Röhren durch künstliehe Einrichtungen¹ unsymmetrisch gemacht warden. Prinzipiell kann, man dieses Ergebnis erhalten, wenn man kontinuierlich oder absatzweise die Arbeitsbedingungen längs der Röhre von E nach 6" in einer derartigen Waise abändert, daß die Abänderung in der Nachbarschaft vom E für schwache Wechselspanniungen undi nahe bei 6¹ für sehr hohe - Spannungen sich vorteilhaft auswirkt. Man kann hierfür z. B. dem Abstand der Windungen der Wendel in der Nähe von E relativ groß· machen und ihn gegen S hin abnehmen) lassen. Nur bei hohen Wechselspannungen erhält man für einen geringen! Abstand zwischen den Windungen einen wirksamen Energieaustausch zwischen dien Elektronen und Walle. Man kann auch zu einer Reflektionselaktrode· greifen, die aus mehreren, zwischen E und B gelegenen Elektroden besteht, die mit verschiedenen Reflektionsspannungen arbeitet. Man erhält in diesiem Falle die gewünschte Asymmetrie, wenn man absatzweise oder in fortlaufender kontinuierlicher Weise dien· Abstand und die Dirnensionen dieser Elektroden ändert.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Ultrakurzweilenischaltungv insbesondere Verstärkerschaltung, unter Verwendung einer Wanderfeldröhre mit einem Wellenleiter, bestehend aus Kathode und konzentrisch dazu angeordneter Beschleunigungselektrode (Anode), welche aperiodisch ausgebildet ist und sich vom Eingangs- zum Ausgangskreis· erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß dar Wellenleiter als Verzögerungsleitung ausgebildet ist und daß zwischen den Elektroden der Verzögerungsleitung ein elektrisches oder in Richtung der Verzögerungsleitung ein magnetisches Feld vorgesehen und derart bemessen ist, daß die Elektronen Pendelbewegungen zwischen den Elektroden ausführen und mit dem Hochfrequenzfeld der Walle in Wechselwirkung treten.
2. 2. Röhre zur Verwendung· in einer Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere, insbesondere durchbrochene Hilfselektroden koaxial zu den Elektroden der Verzögerungsleitung vorgesehen sind.
3. 3. Röhre zur Verwendung in einer Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrode mit positivem Potential in bezug auf die Anode koaxial mit der Anode und der Kathode liegt.
4. 4. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrode mit negativem Potential in bezug auf die Kathode koaxial außerhalb' der letzteren angeordnet ist.
5. 5. Röhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, d'aß die Verzögerungsleitung auf einem negativen Potential gehalten wird und ein Gitter mit positivem Potential zwischen die Verzögerungsleitung und Kathode geschaltet ist.
6. 6. Röhre nach Anspruch· 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfseiektrode mit negativem Potential in der Achse des Systems angeordnet ist, die Verzögerungsleitung ein negatives Potential besitzt, und ein Gitter mit positivem Po- tential zwischen Verzögerungsleitung und Kathode geschaltet ist.
7. 7. Röhre nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektionsfeld der Elektrode mittels eines Hilfsgitters mit regelbarem Potential deformiert wird.
8. 8. Röhre nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen vorgesehen sind, um die Verstärkung längs der Fortpflanzunigsrichtunig der Welle asymmetrisch zu machen.

   9· Röhre nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung eine Wendel mit veränderlichem Gang ist.

   io. Röhre nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden zwischen Eingang und Ausgang verteilt sind und verschiedene ReflektionsspaniMingen, besitzen.

   Angezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 799521.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   0 5226 6.53