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Anordnung zum Anfachen (Erzeugen, Verstärken, Empfangen) ultrahochfrequenter
elektromagnetischer Schwingungen großer Leistung Um sehr kurze elektromagnetische
Schwingungen zu erzielen, werden heute hauptsächlich Röhrenanordnungen verwendet,
welche gestatten, ungedämpfte Wellen zu erzeugen, und welche die Anordnungen zur
Erzeugung von gedämpften elektromagnetischen Schwingungen, wie Funkensender usw.,
fast vollständig verdrängt haben. Der Erzeugung sehr kurzer Wellen stellen sich
zwei Schwierigkeiten in den Weg; erstens bereitet die Laufzeit der Elektronen zwischen
den einzelnen Elektroden Schwierigkeiten, zweitens werden die Abmessungen der Röhrensysteme
besonders im Dezimeter- und Zx@ntimeterwellengebiet sehr klein, so daß es immer
schwieriger wird, bei diesen Wellen große Leistungen zu erzeugen. Geht man davon
aus, daß bei den heutigen Kathoden nur eine begrenzte Anzahl von Ampere pro OOuaadratzentimeter
Kathodenoberfläche zur Verfügung stehen, so ist der Querschnitt der Fläche des zur
Schwingungserzeugung verwendeten Elektronenstrahls durch den gewünschten Strom gegeben.
Alle Elektroden, durch die der Strahl hindurchtritt, besitzen eine größenordnungsmäßig
gleiche Fläche wie der Strahlquerschnitt. Da die Abstände zwischen den Elektroden
durch .die Laufzeitbedingungen gegeben sind, bedeutet das, daß große verwendete
Stromstärken auch große Elektrodenkapazitäten bedingen. Um die großen Blindströme,
welche zu diesen Elektroden fließen, verarbeiten zu können, muß man sehr verlustfreie
Schwingungskreise
verwenden, beispielsweise bonzentrische Leitungen
und Hohlraumresonatoren mit kreisförmigen und anderen Querschnitten. Bei den kürzesten
Wellenlängen läßt sich kaum umgehen, den Schwingungskreis mit in den Röhrenkolben
einzubauen, da Durchführungen durch die Kolbenwand in elektrischer, mechanischer
und technologischer Hinsicht zu schwierig werden. Als zusätzliche Schwierigkeit
kommt bei den Röhren mit eingebautem Schwingungskreis hinzu, daß sie von außen nur
schwer in ihrer Frequenz beeinflußt werden können und daß die Energieabgabe über
gesonderte Durchschmelzungen erfolgen muß, was nicht immer einwandfrei möglich ist.
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Für die meisten möglichen Schwingungskreisarten gibt es eine kürzeste
Wellenlänge, welche bei Verwendung von bestimmten Elektrodenkapazitäten erreichbar
ist. Es ist mit parallelen Drahtleitungen nur schwer möglich, größere Leistungen
bei Wellenlängen unter i m herzustellen. Die konzentrische Leitung und die Hohlraumresonatoren
stellen in dieser Hinsicht eine verhältnismäßig günstige Schwingkreisform dar. Bei
Anordnungen, bei denen die Steuerung und Auskopplung der Energie in verschiedenen
Kondensatorfeldern erfolgt, ist es jedoch schwierig, die Größe und die Phase der
benötigten Steuerspannungen zu erreichen. Es ist bekannt, daß die Rückkopplungsbedingungen
von Trioden nicht einfach erreichbar sind.
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Die Erfindung betrifft Anordnungen zum Anfachen (!Erzeugen, Verstärken,
Empfangen) ultrahochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen großer Leistung,
bei denen ein Hohlraumresonator vorhanden ist, und schlägt vor, das dieser aus einem
Metallrohr besteht, in dem ein zweites Metallrohr angeordnet ist, das an den beiden
Enden mit dem ersten Metallrohr durch Kurzschlußplatten verbunden ist, so daß eine
konzentrische Leitung entsteht, die mit der halben Wellenlänge schwingt und in der
Mitte den Spannungsbauch hat, und d-aß in einem Abstand um das äußere Rohr der konzentrischen
Leitung ein zu den Rohrenden und der Achse symmetrisch angeordnetes kurzes Rohrstück
gelegt ist, das über an den beiden Enden des Rohrstückes angeordnete und auf dem
Umfang desselben verteilte Streben leitend mit dem inneren Rohr der konzentrischen
Leitung verbunden ist, wobei in der Achse der ganzen Anordnung eine zylindrische
Kathode mit Steuergitter angeordnet ist. Die neue Anordnung weist gegenüber den
bekannten Anordnungen wesentliche 'Worteile auf.
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Die Abb. i zeigt das Grundprinzip der neuen Anordnung. Mit i ist ein
Metallrohr bezeichnet, das indem Rohr 2. konzentrisch angeordnet ist; an den beiden
Enden befinden sich die Kurzschlußplatten 5. Die Rohre i und 2 bilden eine konzentrische
Leitung, welche in A/2 schwingen kann und welche in der Mitte :der Rohrlänge den
Spannungsbauch besitzt. Um das Rohr 2 ist in einem gewissen Abstand ein kurzes Rohrstück
3 gelegt, so daß es symmetrisch zu den Rohrenden und der Rohrachse liegt. Dieser
Ring 3 ist über die metallischen Streben 4 an mehreren Stellen speichenförmig reit
dem Rohr z leitend verbunden. An den Stellen, an denen die Speichen 4 liegen, besitzt
der Rohrmantel 2 Bohrungen, welche größer sind als die Verbindungsstreben, so daß
diese, ohne :2 zu berühren, 3 und i verbinden. Durch diese Anordnung wird erreicht"daß
die Teile 3 und i dasselbe hochfrequente Potential besitzen und gegen Teil 2 schwingen.
In dem Zwischenraum zwischen den Teilen i und 2 einerseits und den Teilen 2 und
3 andererseits entstehen elektrische Wechselfelder, die immer radial und entgegengesetzt
gerichtet sind. Wenn die Mittelteile der Rohrstücke i, 2 und 3 netz- oder . gitterförmig
ausgebildet sind, ist es möglich, einen Elektronenstrahl von der Rohrachse radial
nach außen durch die einzelnen Elektroden und ihre-elektrischen Felder hindurchtreten
zu lassen. Auf diese Art und Weise ist es gelungen, ein R.ohr'aufzubauen, welches
gestattet, bis zum Zentimeterwellengebiet große Energien zu erzeugen.
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Die Abb. z zeigt beispielsweise die Ausbildung eines Rohres für eine
Wellenlänge von ungefähr 2o cm. Eine indirekt geheizte Oxydkathode 2o, die von dem
Gitter 21 umgeben ist, ist in zwei Stützkeramiken 16 und 17 im Innern eines metallischen
Hohlkörpers 13 angebracht, von dem die Kathode und das Gitter konzentrisch umschlossen
werden. Das Rohr 13 bildet mit dem umschließenden Rohr 8 eine konzentrische Leitung,
die in den Stellen 14 und 15
kurzgeschlossen ist. Über die Speichen 7 ist
eine weitere Elektrode 6 mit dem Rohr 13 leitend verbunden, welche von dem Rohr
8 ringförmig umgeben ist. Zum Durchtritt des Elektronenstroms ist sowohl das Rohr
13 als auch das Rohr 8 durch eine gitterförmige Anordnung durchbrochen. Dieses Gitter
besteht im einflachsten Fall aus konzentrischen Blechringen, die distanziert aufgebaut
werden, so @daß die äußeren Blechringe die innenliegenden mit kleinerem Radius so
umschließen, daß jeweils die inneren und äußeren Blechringe in einer Ebene liegen.
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Auch die äußerste Elektrode 6, die als Anode ausgebildet ist, besteht
aus kreisförmigen Blechringen, die aber bei 9 durch Distanzringe so verbunden sind,
daß sie im Abstand der vor ihnen liegenden Kreisscheiben stehen und daß auf 9 die
Elektronen auftreffen. Diese fächerförmige Ausbildung der Anode hat den Zweck, die
Wärme gut nach außen hin abzustrahlen und den Sekundärelektronen die Rückkehr =ich
dem System zu erschweren. Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Ein mit
Hilfe des Gitters 2i in seiner Stärke geregelter Elektronenstrahl tritt durch die
Elektrode i i, die sich auf einer hohen positiven Spannung befindet, in das Kondensatorfeld
12. ein, wo er in seiner Geschwindigkeit gesteuert wird, und tritt dann in den Laufraum
io ein, in dem die Elektronen Zeit haben, sich zu bündeln. Im Konden.satorfeld zwischen
9 und io geben bei richtig gewählter Phase die Elektronen einen Teil ihrer Energie
durch Influenz ab und laufen in die Elektrode 9 ein. Dieses Röhrensystem wird mit
Hilfe des Ansatzes 23 im Kolben 22 befestigt und die einzelnen Anschlüsse zu Masse,
Gitter,
Heizer und Kathode zu einem Preßglasteller oder Ouetschfuß geführt. Es entsteht
so ein technologisch einfaches Gabzglasrohr. Es ist bei dieser Anordnung möglich,
bei einer Wellenlänge von 2:5 cm eine Anodenverlustleistung von ungefähr iooo W
unterzubringen, was bei erzielbaren Wirkungsgraden von ungefähr 25 % eine Hochfrequenzleistung
bis zu 250 W ergibt. Auch bei iocm Wellenlänge sind Verlustleistungen von
200 W möglich, was einer Hochfrequenzleistung von 40 W entspricht.
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Mit der neuen Anordnung lassen sich, wie kaum bei einer anderen, bei
kurzen Wellen große Leistungen erzielen. Ein großer Vorteil der neuen Anordnung
soll noch erläutert werden. Die Anode 6 hat gegenüber dem Mantel 8 eine hohe Hochfrequenzwechselspannung,
hierdurch ist es möglich, das Rohr ohne Verwendung einer Energieauskoppe@lleitung
direkt zur Anregung von Schwingungskreisen zu verwenden oder auch direkt zur Ausstrahlung
elektromagnetischer Wellen ohne Verwendung eines gesonderten Antennensystems. In
Abb. 2 ist 25 ein Spiegel, der über das Kapazitätsblech 2.q. mit dem Röhrensystem
verbunden ist, wobei der Spiegel so angebracht ist, daß sein Abstand von der Anode
6 ungefähr ein ungeradzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Wellen, die von
der Anode 6 ausgehen, werden an :dem Spiegel 25 reflektiert und in Richtung der
Röhrenachse ausgesendet. Befindet sich die Anode 6 in einem Hohlkörper, der so angeordnet
ist, daß seine Oberfläche ein ungeradzahliges Vielfaches von A/4 von der Anode entfernt
ist, so werden die Wellen. alle richtigphasig zur Anode zurückreflektiert. Auf diese
Weise wird eine Strahlung des Systems nach außen hin vermieden und der Hohlraumresonator
28 in Abb. 2,a angeregt. Durch 'Verstimmung :des Hohlraumresonators ist es möglich,
die Wellenlänge des Gebildes in gewissen Grenzen zu verändern.
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Ein anderes Beispiel der neuen Anordnung ist in Abb. 4 gezeigt. Das
Prinzip dieser Anordnung läßt sich aus Abb.3 erkennen. In Abb.3 ist 30 ein
Metallrohr, das von einem zweiten Rohr 31 konzentrisch umgeben ist. An den Stellen
32 sind das innere und das äußere Rohr miteinander verbunden, so. daß sie eine konzentrische
Leitung bilden, welche in .1/2 schwingen kann. Innerhalb des Rohres 30 befindet
sich ein weiteres Zylinderstück 3.3, das ähnlich wie bei Abb. i über die Streben
34 mit dem äußeren Zylinder 31 verbunden ist, wobei das Rohr 3o an den Durchtrittsstellen
der Streben 34 so aufgebohrt ist, daß die Streben frei hindurchtreten können. Dieses
System schwingt analog der in Abb. i gezeigten Anordnung, so daß sowohl der Zylinder
33 als auch das Rohr 31 zu jedem Zeitpunkt sich in Gegenphase zum Rohr 3o befinden.
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Ein nach diesem Prinzip aufgebautes Röhrensystem, das mit kombinierter
Geschwindigkeits- und Dichtesteuerung arbeitet, ist in. Abb. 4 dargestellt. Das
frequenzbestimmende Gebilde, die konzentrische Leitung, wird durch die Rohre 36
und 37 gebildet, wobei das Rohr 36 gleichzeitig als Außenmantel der Röhre 7 und
mit Kühlrippen 38 versehen ist, die durch Preßluft oder ein anderes Kühlmittel gekühlt
werden. können. An den Stellen 39 und 40 sind die Rohre wieder in der schon beschriebenen
Weise durch Blechringe unterbrochen worden. Durch die Keramikisolatoren 41 und 42
wird das Gitter-Kathoden-System 43 bis 44 gehalten, wobei über die Streben 45 und
die daran anschließenden Kapazitätsringe 46 und q:7 das Gitter kapazitiv auf das
Hochfrequenzpotential der Elektrode 36 gebracht wird. Die Kapazitätsringe 46 und
47 umschließen das Gitter 43 mit geringem Abstand und dienen dazu, die am Anodenkörper
36, 37 liegende hohe Gleichspannung von dem Gitter der Röhre fernzuhalten. An der
Kathode ist zu ihrer Befestigung beiderseitig ein Zentrierstift 48, 49 angebracht,
wobei :der Stift 49 durch :die Längsachse der Keramik hindurchführt. Durch das Innere
des Zentrierstiftes 49 wird die Heizzuleitung herausgeführt, während außen. um den
Zentrierstift ein kleiner Kapazitätsring 5o angeordnet ist, welcher über die Leitung
5 i, die aus dünnem Draht besteht, mit dem Gitter 43 verbunden ist. An :den Schwingkreiskörper
sind die Kupfer- - oder Fernicoschneiden 52 angelötet, die ihrerseits mit dem Preßglasteller
53, der einen Kranz von Durchführungsstiften 54 trägt, verschmolzen sind. Der größte
Teil der Durchführungsstifte ist mit der Kathode verbunden, während je eine Durchführung
für die Gitter und die Heizspannung dient. Durch den Kapazitätsring 50 wird erreicht,
daß alle Durchführungsstifte hochfrequenzmäßig auf dem gleichen Potential gegenüber
Masse liegen.
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Unter der Annahme, :daß die Zuführungen 55 durchgeschnitten sind und
zwischen den Teilen 39 und 4o aus irgendeiner Ursache eine Wechselspannung liegt,
wird sich das Gitter 43 und die Kathode 44 über die Kapazitätsringe 46 und
47 auf das Hochfrequenzpotential der Elektrode aufladen. Dies bedeutet, daß zwischen
dem Gitter 43 und der Elektrode 39 ein Wechselfeld umgekehrter Richtung als zwischen
Elektrode 39 und 4.o besteht. Da sich die Kathode 44 und das Gitter 43 auf gleichem
Hochfrequenzpotential befinden, wird der aus der Kathode austretende Elektronenstrahl
in seiner Dichte nicht hochfrequenzmäßig moduliert, sondern im Raum zwischen dem
Gitter 43 und der Elektrode 39 wird der Elektronenstrahl in seiner Geschwindigkeit
moduliert. Die Elektrode 39 stellt den Kompressionsraum :dar, und der Raum zwischen
den Elektroden 39 und 4o dient zur Auskopplung :der Hochfrequenzenergie, während
die Elektrode 4o zur Vermeidung von Sekundäremission fächerförmig ausgebildet ist.
Ist die Kathode aber nicht frei, sondern über die Leitungen 55 und 'die Durchführungsstifte
54 mit dem Außenraum verbunden, so ist es möglich, über diese Leitungen :der Kathode
Blindleistung zuzuführen, indem zwischen den Stromdurckführungen 54 und dem Teil
52 eine konzentrische Leitung angeschlossen wird, die. es gestattet, der Kathode
jede beliebige Phasenlage gegenüber dem Gitter zu geben. Durch Abstimmung wird erreicht,
daß die Amplitude zwischen Gitter und Kathode das zur Steuerung des Emissionsstromes
in seiner Dichte notwendige Maß erreicht.
Da das Gitter nur durch
die dünne Leitung 51 nach der Kathode abgeleitet wird, ist es nicht möglich, dem
Gitter wesentliche Blindleistungen über die- Zuführung aufzudrücken. Das Gitter
stellt sich also auf eine Spannung ein, die durch kapazitive Spannungsteilung zwischen
Kathode-Gitter einerseits und Gitter-Kapazitätsring andererseits bedingt ist. Die
Energieauskopplung erfolgt in dem zwischen dem Teil 52 und den Durchführungen 54
angeschlossenen äußeren Abstimmsystem. Durch die Verwendung von Geschwindigkeits-
und Dichtemodulation in der gleichen Röhre, ist es möglich, den Wirkungsgrad :der
neuen Anordnung gegenüber der reinen Geschwindigkeits- oder Dichtemodulation wesentlich
zu steigern. Der theoretische Wirkungsgrad einer Röhre nach Abb.2 beträgt ungefähr
36%, bei einer Röhre nach Abb. 4 bis zu 8o %; die tatsächlich erzielbaren Wirkungsgrade
liegen ungefähr bei der Hälfte der angegebenen Werte.
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In Abb. 6 ist eine weitere Ausbildung der neuen Anordnung gezeigt,
die in Abb. 5 im Prinzip dargestellt ist. Die Röhre hat drei konzentrisch zweinarider
liegende Röhren, die an den Stellen 79 miteinander verbunden sind, so@ daß
zwei konzentrische Leitungen entstehen, wobei sowohl das konzentrische System 75,
76 als auch das System 76, 77 auf die gleiche Welle abgestimmt sind.
Durch die Streben 81 werden die beiden Schwingsysteme so fest miteinander gekoppelt,
daß die gleiche Phase der Schwingung der Mäntel 75 und 77 gegen den mittleren Zylinder
76 erzwungen wird. Haben die beiden Systeme nicht genau die gleiche Eigenfrequenz,
so fließt über dieStreh:°n81 ein solcher Ausgleichstrom, daß dennoch eine gemeinsame
Eigenfrequenz des ganzen Systems erzwungen wird. Die Abb. 6 zeigt ein Rohr mit Geschwindigkeitsmodulation,
das auf Grund der vorstehenden Ausführungen von selbst verständlich ist. Für die
Energieauskopplung muß hier eine eigene Auskopp:elleitung81 vorgesehen werden, die
auf eine beliebige Art und Weise nach außen geführt wird. Die Röhren dieser Art
haben gegenüber den vorbeschriebenen den Vorteil, daß die Streben, die die Kopplung
der beiden Kreise vornehmen, nicht mit dem vollen kapazitiven Elektronenstrom belastet
werd-.n, sondern nur mit den Ausgleichströmen, welche bei Abweichungen der Eigenfrequenz
der beiden. Kreise auftreten. Die Verkleinerung des Röhrensystems durch die Stoßstelle
bei den Streben. ist geringer. Die gesonderte Auskopplung ist als Nachteil zu nennen.
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Auf' denselben: Grundsätzen, die zu Röhrensystemen nach den Abb. 1,
3 und 5 geführt haben, bei denen der Elektronenstrahl von einer Zylinderkathode
nach allen Seiten nach außen führt, läßt sich auch ein Röhrensystem aufbauen, bei
.dem sich der Elektronenstrahl im wesentlichen nur in einer Richtung fortbewegt.
Die Abb. 7 zeigt einen torusförmigen Hohlraumresonator 103 mit den Kapazitätsflächen
1o4 und 11015. Über die Streben tob ist eine zweite Kapazitätsplatte 107
mit 1o4 verbunden, wobei die Streben 1o6 wieder durch Aussparungen der Elektroden
tos und 103 hindurchtreten. Die Abh. 8 zeigt schematisch ein Röhrensystem,
das dem in Abb. i und 2 dargestellten System entspricht. Von der Kathode tob und
dem Modulationsgitter tog tritt der Elektronenstrahl durch die Hochkantgitter z
to und i i i in die Anode 112 ein. Zwischen den Gittern i i o und i i i erfährt
der Elektronenstrahl eine Geschwindigkeitsmodulation, die zwischen -dem Gitter i
i i und der Anode 112 ausgenutzt wird. Der an der Anode 112 angebrachte Kühler 113
wirkt gleichzeitig als Antenne und ist mit dem ganzen übrigen System in dem Glaskolben
114 angeschlossen.
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Tritt der Elektronenstrahl in umgekehrter Richtung von B nach
A durch den Hohlraumresonator der Abb. 7 hindurch, so entsteht analog der
Röhre nach Abb. 4 ein kombiniertes Rohr für Dichte und Geschwindigkeitsmodulation,
wie es in Abb. g dargestellt ist. Die Wirkungsweise dieses Rohres ist ähnlich dem
nach der Abb. 4.
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Werden gemäß Abb. to zwei flache Hohlraumresonatoren verwendet, die
über die Streben 89
und go- miteinander verbunden sind, so entsteht ein Rohr,
welches mit Geschwindigkeitssteuerung arbeitet und bei welchem die Kopplungsstreben
ebenso entlastet sind wie bei dem Rohr nach Abb. 6. Die Abb. 1i zeigt beispielsweise
die praktische Ausführung einer solchen Röhre.