DE1003825B - Anordnung mit Auskoppelfenster zur UEbertragung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Auskoppelfenster für sehr kurze elektromagnetische Wellen, wie es z. B. für den Abschluß des Vakuumraumes einer elektrischen Entladungsanordnung benötigt wird. Dieses Fenster dient dann zugleich der Übertragung der Hochfrequenzenergie und gegebenenfalls noch weiteren Zwecken. Insbesondere bei elektrischen Entladungsröhren nach Art des Klystrons oder Magnetrons finden derartige Auskoppelfenster häufig Anwendung, um so die Ankopplung einer Wellenführung, insbesondere einer Hohlrohrleitung, zur Entnahme oder Zuführung der Hochfrequenzenergie zu ermöglichen. Derartige Fenster wurden im allgemeinen bisher aus Glas hergestellt, wobei sich jedoch zeigte, daß bei großen zu verarbeitenden Hochfrequenzenergien Schwierigkeiten im Ausfindigmachen eines geeigneten Glases auftreten. Dieses Glas muß nämlich in der Lage sein, der bei der Auskopplung entstehenden großen Erwärmung zu widerstehen. Bei der Verwendung von hitzebeständigem Material, welches für die Übertragung großer Hochfrequenzleistungen an sich geeignet wäre, zeigt sich jedoch, daß dann die Reflexionen im Auskoppelfenster nicht nur eine Änderung der Schwingungsart zur Folge haben, was insbesondere bei Klystrons und Magnetrons störend ist, sondern auch gegebenenfalls die Resonanzfrequenz der erzeugten Schwingungen beeinflussen können. Die durch schwache Reflexionen verursachten Frequenzänderungen sind als sogenannte Frequenzzieherscheinungen allgemein bekannt. Starke Reflexionen können dazu führen, daß die Oszillatorröhre in einer ganz anderen Schwingungsart als der gewünschten schwingt.

Gegenstand der Erfindung ist, ein diesbezüglich verbessertes Auskoppelfenster anzugeben, das also in der Lage ist, sehr großen Hochfrequenzenergien zu widerstehen und dabei zugleich wesentlich verminderte Reflexionsstellen für die Hochfrequenz besitzt.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Anordnung zur Übertragung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen unter Verwendung einer Lochblende aus leitendem Material, deren Öffnung durch ein wärmebeständiges, hochfrequenzdurchlässiges Auskoppelfenster vakuumdicht verschlossen ist, in der Weise auszubilden, daß das Auskoppelfenster in an sich bekannter Weise aus einem optisch einachsigen Werkstoff besteht und daß die optische Achse dieses Werkstoffes gegenüber der Übertragungsrichtung der Wellen derart orientiert ist, daß sich die Reflexionsstellen des Auskoppelfensters und der Blende im wesentlichen gegenseitig auslöschen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Auskoppelfenster aus Saphir und ist zwischen einem Paar mit Öffnungen versehenen Anordnung mit Auskoppelfenster zur
Übertragung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen

Anmelder:

Electric & Musical Industries Limited,
Hayes, Middlesex (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 27. Juli 1954 und 7. Juli 1955

James Rodney Mitchell Vaughan, Stoke Poges,
_ao Buckinghamshire,

Peter Young, London,
und Robert Lennox Scott Blackadder, Guildford, Surrey

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

Blenden eingeschmolzen. Die optische Achse des Fensters ist hierbei parallel zu der durch die Übertragungsrichtung für die Hochfrequenzenergie bestimmten Achse. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Fenster an einer einzelnen Blende vakuumdicht befestigt. In diesem Fall ist die optische Achse des Fensters derart angeordnet, daß sie schräg zu der durch die Übertragungsrichtung bestimmten Achse verläuft.

In der französischen Patentschrift 1 064 885 wird bereits die Anordnung eines aus Saphir bestehenden Auskoppelfensters an einem Magnetron beschrieben. Diese Patentschrift gibt jedoch keine Anregung, die optische Achse des Saphirfensters zwecks Vermeidung von Reflexionen in bestimmter Weise gegenüber der Übertragungsrichtung der Wellen orientiert anzuordnen.

Demgegenüber werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen Reflexionen am Auskoppelfenster wesentlich vermindert, so daß die durch diese Reflexionen verursachten Störungen, die bereits geschildert wurden, nicht mehr in Erscheinung treten. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird dieselbe nachstehend an Hand der Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele wiedergeben, näher erklärt. In den Zeichnungen zeigt die

609 838/281

Weise wie die Hohlrohrleitung 1 mit ausgekehlten Abschnitten 14 versehen. Der Ausdehnungskoeffizient der Saphirscheibe in der Scheibenebene beträgt 5,7 · 10~°/° C und entspricht demnach ausreichend gut dem unter dem eingetragenen Handelsnamen »Kovar« bekannten Material im Ausdehnungskoeffizienten und ist deshalb für die Herstellung einer vakuumdichten Verbindung gut geeignet! Der Ausdehnungskoeffizient in Richtung der optischen Achse 15 d Shihib b 6 °

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Stärke des Auskoppelfensters 2 vermindert werden. Dies sind die wesentlichen Faktoren, welche die Verminderung der Reflexionen bestimmen. Jedoch können noch andere Faktoren hinzutreten, wie z. B. der Ab

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung, und die

Fig. 2 gibt eine ähnliche Darstellung einer anderen erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung wieder.

Wie aus der Fig. 1 der Zeichnungen erkennbar, ist mit der Bezugsziffer 1 ein Abschnitt einer Wellenführung —· beim Ausführungsbeispiel eine Hohlrohrleitung — bezeichnet, die an den Resonanzhohlraum

einer elektrischen Entladungsröhre, wie z. B. eines g p

Klystrons oder Magnetrons, angeschlossen ist. Diese io 15 der Saphirscheibe beträgt 6,4 ■ 10—⁶/° C, was eine Hohlrohrleitung 1 ist mit einem Auskoppelfenster 2 Fehlanpassung bezüglich des Ausdehnungskoeffizienversehen, das dem vakuumdichten Abschluß des ten ergeben würde, wenn dieser in der Scheibenebene Endes der Hohlrohrleitung 1 dient. Das Auskoppel- liegen würde. Mit einer derartigen Anordnung wurde fenster 2 besteht hierbei aus wärmebeständigem festgestellt, daß Reflexionen der Hochfrequenzenergie Material, das für die Übertragung von Hochfrequenz- 15 nicht nur im Auskoppelfenster 2 auftreten, sondern energie geeignet ist. Vorzugsweise wird Saphir auch an den Rändern der Blenden 3 und 4. Diese (kristallines Aluminiumoxyd) hierfür gewählt und Reflexionen können durch geeignete Orientierung der dem Auskoppelfenster die Form einer flachen Scheibe optischen Achse 15 des Auskoppelfensters 2 und durch gegeben. Diese Scheibe ist derart geformt, daß ihre geeignete Wahl der Durchmesser der Öffnungen in optische Achse senkrecht zur Scheibenebene orientiert 20 den Blenden und/oder durch geeignete Wahl der ist. Die Scheibe ist zwischen einem Paar von mit Öff- Stärke des Auskoppelfent 2 ridt d nungen versehenen Blenden 3 und 4 montiert und mit
diesen Blenden vakuumdicht verbunden, insbesondere

durch eine Anschmelzung oder Anglasung. Die ,

Ränder 5 und 6 dieser Blenden sind ihrerseits, bei- 25 stand im Spalt zwischen der Blende 3 und dem bespielsweise durch Anschweißen, an dem Ende der nachbarten Ende der Hohlrohrleitung 1 und den ausHohlrohrleitung !vakuumdicht befestigt. Die Blenden 3 gekehlten Abschnitten 10. Die optimale Disposition und 4 sind aus einem Material hergestellt, das einen der verschiedenen Teile und deren Abmessungen wer-Ausdehnungkoeffizienten besitzt, der in der Größen- den am besten auf empirischem Wege bestimmt. Um jeordnung von 5,7 bis 5,9 · 10-⁶ liegt, so, wie z. B. einer 30 doch ein Beispiel zu geben, sei erwähnt, daß zur Aus-Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung, die beispielsweise kopplung von Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz

von 35 000 MHz eine Anordnung mit folgenden Abmessungen für gut geeignet befunden wurde. Die Quer-Schnittsabmessungen der Hohlrohrleitung 1 betragen 35 7,1 · 3,55 mm; die Stärke des Auskoppelfensters 2 beträgt 0,14 mm mit einer Dielektrizitätskonstante von 9,4; die optische Achse des Auskoppelfensters ist parallel zur Achse der Hohlrohrleitung 1; die Stärke der

_{2 23 21} Blenden 3 und 4 beträgt jeweils 0,25 mm; der Durch-

4% Al₂O₃, 3% Na₂O, so, wie das unter dem einge- 40 messer der in den Blenden vorgesehenen Öffnungen tragenen Handelsnamen »Kodial« bekannte Glas. beträgt jeweils 5,2 mm; der Spaltabstand zwischen der Diese Abdichtung bzw. Abschmelzung geschieht ent- Blende 3 und dem benachbarten Ende der Hohlrohrlang dem Rand der Scheibe 2— mit 7 angedeutet— leitung 1 ist 0,2 mm; die Drossel 9 besitzt einen zu den benachbarten Metallflächen der Blenden 3 Durchmesser von 8,76 mm und eine Tiefe von 2,18 mm; und 4 und wird durch Erhitzung der gesamten 45 der Radius der ausgekehlten Abschnitte 10 ist 1,98 mm. Anordnung auf eine Temperatur von über 900° C Die an die Hohlrohrleitung 1 angekoppelte Hohlrohrdurchgeführt, um das Glaspulver zum Schmelzen zu leitung 11 ist mit ihrem Ende von der Blende 4 durch bringen. Die Blende 3 ist, so, wie dargestellt, etwas einen Spalt mit dem Abstand 0,4 mm getrennt, von dem Ende der Hohlrohrleitung 1 distanziert, die Die dielektrischen Verluste des künstlichen Saphirs

den üblichen Rechteckquerschnitt besitzt. Der Kör- 50 liegen, wie herausgefunden wurde, noch erheblich per 8, in welchem sich die Hohlrohrleitung 1 befindet, niedriger als bei den besten verlustarmen Glassorten, ist von kreisförmigem Querschnitt und in der Wan- die für die Verwendung im Millimeterwellengebiet bedung seines Endes mit der üblichen ringförmigen stimmt sind. Darüber hinaus ist die Dielektrizitäts-Hochfrequenzverdrosselung 9 gegen ein Entweichen konstante mehr als doppelt so groß (9,4 gegenüber von Hochfrequenzenergie über die Spaltöffnung ver- 55 4,3), so daß die Stärke eines angepaßten Fensters gesehen. Die gegenüberliegenden längeren Wände der ringer als die Hälfte eines Fensters aus Glas sein Hohlrohrleitung 1 sind in ihren mittleren Abschnitten kann. Die Kühlung des Auskoppelfensters, die im mit ausgekehlten Abschnitten 10 von bekannter Form wesentlichen durch Konvektion an der Außenfläche versehen, um die Gefahr einer Sprühentladung zwi- des Auskoppelfensters geschieht, ist daher zumindest sehen den Enden der Hohlrohrleitung und dem Aus- 60 zweimal so wirksam und ist in Verbindung mit dem koppelfenster 2 herabzusetzen. Mit einer derartigen hohen Schmelzpunkt des Saphirs, der bei über 2000⁰C Anordnung kann ein Klystron oder Magnetron Hegt, mit die wesentliche Voraussetzung, daß ein dervakuumdicht abgeschlossen werden. Gleichzeitig ist es artiges nach der Erfindung ausgebildetes Auskoppelmöglich, über dieses Auskoppelfenster2 Hochfrequenz- fenster mehr als die doppelte Hochfrequenzleistung energie in eine weitere Hohlrohrleitung 11 auszu- 65 zu verarbeiten vermag als ein normales Glasfenster, koppeln, deren Ende in geringem Abstand dem Fen- In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung nach der

ster 2 gegenüberstehend angeordnet ist. Der Körper Erfindung, in der für die gleichen Teile die gleichen 12, der die Hohlrohrleitung 11 bildet, ist mit einer Bezugszeichen wie in Fig. 1 gebraucht sind, ist an Hochfrequenzdrosselung 13 versehen, und die längeren Stelle der Abdichtung des Auskoppelfensters 2 zwi-Wände dieser Hohlrohrleitung 11 sind in gleichartiger 70 einem Paar von Blenden das Auskoppelfenster 2 an

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unter dem eingetragenen Handelsnamen »Kovar« oder »Nicosel« bekannt ist. Die beiden Blenden 3 und 4 und das Auskoppelfenster 2 sind unter Anwendung eines Gläspulvers miteinander vakuumdicht verbunden, wobei das Glas, aus dem das Pulver besteht, einen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 5,7 · 10—⁶ besitzt, so, wie z. B. ein Glas folgender Zusammensetzung: 67%SiO₂, 21% B₂O₃, 4Va%K₂O₁,

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einer einzigen Blende 3 vakuumdicht befestigt. Um eine Aufhebung der Reflexion dieses Fensters 2 und der Ränder der Blende 3 zu erzielen, ist die optische Achse aus ihrer parallelen Lage zur Achse der Hohlrohrleitung 1 herausgeschwenkt und geneigt gegenüber dieser in Fig. 2 mit 16 bezeichneten Achse angeordnet. Wenn die optische Achse nicht senkrecht zur Ebene der Saphirscheibe liegt, dann breiten sich sowohl der ordentliche als auch der außerordentliche Strahl in der Scheibe aus und ergeben Reflexionen, die eine merkliche Phasendifferenz besitzen.

Diese Reflexionen ergeben zusammen eine scheinbare äquivalente Reflexionsebene, die nicht mit der Mittelebene der Scheibe zusammenfällt. Somit ist es durch geeignete Wahl der Lage der optischen Achse möglich, diese scheinbare reflektierende Ebene mit der Ebene der Blende zum Koinzidieren zu bringen, so, daß eine hochfrequente Anpassung auch mit nur einer Blende erzielt werden kann. Zweckmäßig wird diese eine Blende an der dem Vakuum zugewendeten Seite des Auskoppelfensters angeordnet, da hierdurch die Grenze der Leistungsspitze, bei der im Fenster eine Sprühentladung einsetzt, beträchtlich erhöht wird. Die erforderliche Neigung der optischen Achse wird im allgemeinen so gering sein, daß die Anpassung zwischen der Blende und dem Auskoppelfenster bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten noch hinreichend gut gewährleistet ist.

Die für eine wesentliche Verminderung der Reflexion erforderlichen Abmessungen der einzelnen Teile der in der Fig. 2 dargestellten Anordnung sind für eine Betriebsfrequenz von 35 000 MHz wie folgt ermittelt worden.

Die Querschnittsabmessungen der Hohlrohrleitung 1 betragen 7,1 -3,55 mm; die Stärke des Auskoppelfensters 2 ist 0,15 mm mit einer Dielektrizitätskonstante von 9,4; die optische Achse des Auskoppelfensters bildet einen Winkel von 40° mit der Achse der Hohlrohrleitung 1 und liegt in einer Ebene zur Hohlrohrleitungsachse, die einen Winkel von 20° mit der schmalen Seite der Hohlrohrleitung einschließt; die Stärke der Blende 3 ist 0,25 mm; der Durchmesser der öffnung in der Blende beträgt 5,2 mm; der Spalt zwischen der Blende 3 und dem Ende der Hohlrohrleitung 1 ist 0,2 mm; der Durchmesser der Hochfrequenzverdrosselung 9 ist 8,76 mm, und die Tiefe der Hochfrequenzdrossel beträgt 2,18 mm; der Radius der ausgekehlten Abschnitte 10 ist 1,98 mm; die an die Hohlrohrleitung 1 angekoppelte Hohlrohrleitung sei von der Blende 3 durch einen Spalt von 0,56 mm getrennt.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Übertragung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen unter Verwendung einer Lochblende aus leitendem Material, deren öffnung durch ein wärmebeständiges, hochfrequenzdurchlässiges Auskoppelfenster vakuumdicht verschlossen ist, insbesondere für eine elektrische Entladungsanordnung, vorzugsweise nach Art des Klystrons oder Magnetrons, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster in an sich bekannter Weise aus einem optisch einachsigen Werkstoff besteht und daß die optische Achse dieses Werkstoffes zur Übertragungsrichtung der Wellen derart orientiert ist, daß sich die Reflexionsstellen des Auskoppelfensters und der Blende im wesentlichen gegenseitig auslöschen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster in an sich bekannter Weise aus Saphir besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster zwischen zwei Blenden vakuumdicht eingefügt ist und daß der Werkstoff, aus dem das Auskoppelfenster besteht, bezüglich seiner optischen Achse derart orientiert ist, daß diese optische Achse parallel zur Übertragungsrichtung der Wellen durch das Auskoppelfenster verläuft.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster mit einer einzelnen Blende vakuumdicht verbunden ist und daß der Werkstoff, aus dem das Auskoppelfenster besteht, bezüglich seiner optischen Achse derart orientiert ist, daß diese optische Achse gegenüber der durch die Übertragungsrichtung durch das Auskoppelfenster bestimmten Richtung geneigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 064 885;
G. B. Collins, »Microwave Magnetrons«, 1948, New York, S. 487 bis 489.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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