DE1285626B

DE1285626B - Verfahren zur parametrischen Vergroesserung der Energie sehr hochfrequenter Wellen und Elektronenstrahlroehren zur Anwendung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1285626B
Application number: DEW25582A
Authority: DE
Inventors: Ashkin Arthur
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1958-05-20
Filing date: 1959-05-09
Publication date: 1968-12-19
Also published as: FR1235359A; US3101449A; CA703843A; BE578808A; GB893083A

Description

IO

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur parametrischen Vergrößerung der Energie sehr hochfrequenter Wellen (Signalwellen) einer bestimmten Frequenz (Signalfrequenz) mit Hilfe eines Elektronenstrahls, der von den Signalwellen sowie von Pumpwellen einer bestimmten Frequenz (Pumpfrequenz), die niedriger ist als die Signalfrequenz, in der Geschwindigkeit moduliert ist, sowie Elektronenstrahlröhren zur Anwendung dieses Verfahrens.

Nach einem älteren Vorschlag (deutsche Patentschrift 1259412) besteht bereits die Möglichkeit, eine parametrische Verstärkung mit Hilfe von Pumpwellen zu erreichen, deren Frequenz kleiner als die Signalfrequenz ist, vorausgesetzt, daß bestimmte Frequenzbeziehungen zwischen der Signal- und der Pumpfrequenz beachtet werden. Der ältere Vorschlag sieht eine wellenführende Anordnung vor, die teilweise oder vollständig in ein nichtlineares reaktanzbehaftetes Medium, beispielsweise ein ferromagnetisches Medium, eingebettet und aus zwei oder mehr Übertragungsleitungen besteht, die über das nichtlineare Medium entweder an einer-Vielzahl bestimmter Punkte oder kontinuierlich über ihre Länge eng miteinander gekoppelt sind. Wenn eine Signalwelle über eine der Übertragungsleitungen läuft und das Medium mit der Pumpwelle beaufschlagt wird, ergibt sich eine Vielzahl von Seitenwellen (Idlerwellen), die über die Ubertragungsleitungen laufen und zusammen mit der Signalwelle verstärkt werden.

Da die Pumpfrequenz kleiner sein kann als die Signalfrequenz, lassen sich die Einschränkungen hinsichtlich der oberen Frequenzgrenze für eine solche parametrische Verstärkung weitgehend beseitigen. Eine Schwierigkeit ergibt sich jedoch daraus, daß die dabei erzielbare Verstärkung nicht mit den erreichbaren Frequenzen Schritt hält. Dies folgt einerseits aus der Tatsache, daß nur Seitenfrequenzen unterhalb der Pumpfrequenz der Pumpwelle Energie entziehen und sich so mischen können, daß sich eine Verstärkung der Signalwelle ergibt. So werden, wenn die Pumpfrequenz kleiner als die halbe Signalfrequenz ist, zusätzliche Seitenfrequenzen erzeugt, die teilweise oberhalb und teilweise unterhalb der Pumpfrequenz liegen. Da nur die Seitenwellen mit einer niedrigeren Frequenz als die Pumpfrequenz direkt der Pumpwelle Energie entziehen, besteht die Möglichkeit, daß die übrigen, an der Verstärkung teilnehmenden Seitenwellen auf Kosten der Signalwelle und auf dem Wege über Seitenwellen niedrigerer Frequenz der Pumpwelle Energie entziehen.

Nach einem weiteren älteren Vorschlag (deutsche Patentschrift 1070697) wird bei einer Art Wanderfeldröhre mit z." B. einer Wendel als Verzögerungsleitung ebenfalls eine Pumpwelle benutzt, deren Frequenz niedriger ist als die Signalfrequenz. Gegenüber diesem älteren Vorschlag ist das Patentbegehren eindeutig abgegrenzt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die erläuterten Schwierigkeiten zu beseitigen und ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe eine Verstärkung bzw. Schwingungserregung bei sehr hochfrequenten Wellen möglich ist. Die Erfindung geht dazu aus von einem Verfahren der eingangs genannten Art und empfiehlt, daß die parametrische Vergrößerung der Signalwellenenergie dadurch erfolgt, daß der Elektronenstrahl, nachdem er mit den Signalwellen und den Pumpwellen in der Geschwindigkeit moduliert worden ist, einen Laufraumabschnitt durchläuft, in welchem zunächst Energie von den Pumpraumladungswellen auf wenigstens zwei Seitenraumladungswellen (Idlerraumladungswellen), deren Frequenzen niedriger sind als die Pumpfrequenz, und von diesen auf die Signalraumladungswellen übertragen wird.

Es läßt sich auf diese Weise bei einer Pumpfrequenz, die niedriger ist als die Signalfrequenz, eine im Laufraumabschnitt exponentiell anwachsende Verstärkung der Signalwellen erreichen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Elektronenstrahl außer mit den Pumpwellen einer bestimmten Frequenz (Pumpfrequenz), die niedriger ist als die Signalfrequenz (Pumpgrundwellen), noch mit mindestens einer Frequenzharmonischen der Pumpgrundwellen (Pumpharmonische) in der Geschwindigkeit moduliert worden ist, durch die die parametrische Vergrößerung der Signalwellenenergie wie mittels der Pumpgrundwellen über Seitenraumladungswellen (Idlerraumladungswellen) erfolgt, deren Frequenzen niedriger sind als die der betreffenden Pumpharmonischen (gegebenenfalls also auch noch niedriger als die der Pumpgrundwellen).

Dadurch läßt sich eine weitere parametrische Vergrößerung der Signalwellenenergie erreichen.

Eine Elektronenstrahlröhre zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem am einen und einer Auffangelektrode am anderen Röhrenende ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Weg des Elektronenstrahls vom Elektronenstrahlerzeugungssystem zur Auffangelektrode ein erster Hohlraumresonator angeordnet ist, der den Elektronenstrahl mit den Pumpwellen moduliert, daß ein von dem ersten Hohlraumresonator durch einen kurzen Laufraumabschnitt getrennter zweiter Hohlraumresonator vorgesehen ist, der den Elektronenstrahl mit den Signalwellen moduliert, und daß zwischen dem zweiten Hohlraumresonator und der Auffangelektrode eine Auskoppelvorrichtung zur Abnahme der verstärkten Signalwellen angeordnet ist. In dem Laufraumabschnitt, der sich zwischen dem zweiten Hohlraumresonator und der Auffangelektrode befindet, bilden sich wenigstens zwei Seitenraumladungswellen aus, deren Frequenzen niedriger sind als die Pumpfrequenz. Von den Pumpraumladungswellen oder deren Harmonischen geht Energie zunächst auf diese Seitenraumladungswellen und dann auf die Signalraumladungswellen über, derart, daß die Signalraumladungswellen beim Durchgang durch den Laufraumabschnitt exponentiell anwachsen. An der Auskoppelvorrichtung, die ebenfalls als Hohlraumresonator ausgebildet sein kann, werden die verstärkten Signalwellen abgenommen.

Eine Weiterbildung der Erfindung empfiehlt, daß auf dem Weg des Elektronenstrahls vom Elektronen-Strahlerzeugungssystem zur Auffangelektrode dem ersten Hohlraumresonatror ein mit einem Lastwiderstand verbundener Hohlraumresonator vorgeschaltet ist, der wie der erste Hohlraumresonator als Doppelspalt-Hohlraumresonator mit kurzem Laufraumabschnitt ausgebildet ist, daß an Stelle des obengenannten zweiten Hohlraumresonators ein Wendelkoppler vorgesehen ist und daß die Ankuppelvorrichtung ebenfalls als Wendelkoppler ausgebildet ist. Der dem ersten Hohlraumresonator vorgeschaltete Hohlraumresonator entzieht dem Elektronenstrahl die Schnellwellen-Rauschenergie im Signalfrequenzbereich, und im ersten Hohlraumresonator wird der Elektronenstrahl mit den Pumpwellen nur in der

schnellen Wellenform moduliert. Im ersten Wendelkoppler erfolgt dann die Modulation des Elektronenstrahls mit der zu verstärkenden Signalwelle, und am zweiten Wendelkoppler wird die verstärkte Signalwelle abgenommen.

Elektronenstrahlröhren zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch noch auf andere Weise verwirklichen; der Elektronenstrahl kann mit einer Vielzahl von Bauteilen, einschließlich Hohlraumresonatoren und Langsamwellen-Wechsel-Wirkungskreisen, in Wechselwirkung treten.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen noch im einzelnen beschrieben; es zeigt

F i g. 1 die schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm der exponentiellen Verstärkung, die sich mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 erreichen läßt,

F i g. 3 die schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Erzeugung von Schwingungen,

Fig.4 die schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In F i g. 1 ist schematisch ein Verstärker 10 für sehr hochfrequente Wellen dargestellt. Innerhalb des evakuierten Kolbens 11, der aus Glas oder einem anderen Material bestehen kann, befindet sich an einem Ende ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 12. Es weist in der Praxis im allgemeinen eine Kathodenflache, einen Heizer und Elektroden zur Intensitätssteuerung und Bündelung des Strahles auf. Am anderen Ende des Kolbens 11 liegt die Auffangelektrode 13 für den Elektronenstrahl, die mit Hilfe der einstellbaren Spannungsquelle 14 auf positivem Potential gegen das Elektronenstrahlerzeugungssystem 12 gehalten wird. Ein erster Hohlraumresonator 15, der vorzugsweise aus einem gutleitenden Material hergestellt ist, kann — wie in den Figuren gezeigt — als Teil des Kolbens 11 oder in bekannter Weise innerhalb oder außerhalb des Kolbens angeordnet sein. Der Resonator 15 ist mit einem hohlen einspringenden Teil 16 versehen, der axial mit dem Elektronenstrahl in einer Linie liegt. Gegenüber dem inneren Ende des einspringenden Teils 16 befindet sich eine öffnung 17 in der Wand des Hohlraumresonators, die mit dem einspringenden Teil und mit dem Elektronenstrahl axial in einer Linie liegt, so daß der Strahl durch den Hohlraumresonator gehen kann. Die Resonatorwand mit der Öffnung 17 und das innere Ende des einspringenden Teils 16 liegen dicht beieinander und bilden einen Spalt 18, an dem der Elektronenstrahl vorbeiläuft. Der dargestellte Aufbau des Resonators 15 wie auch die im folgenden beschriebenen Resonatoren dienen nur zur Erläuterung, und es können auch andere geometrische Formen benutzt werden. Die Koppelvorrichtung 19 ist über die Leitung 20 mit der Pumpquelle 21 verbunden, deren Zweck später noch erläutert wird.

In Strahlrichtung hinter dem ersten Hohlraumresonator 15 befindet sich ein zweiter Hohlraum- resonator 22, der ähnlich aufgebaut und angeordnet ist wie der Hohlraumresonator 15. Der hohle einspringende Teil 23 und die öffnung 24 in der Wand des Resonators 22 bilden wiederum einen Spalt 25. Der Resonator 22 ist über die Koppelvorrichtung 26 und über die Leitung 27 mit der Signalquelle 28 verbunden, die ebenfalls im folgenden eingehend erläutert wird.

In Strahlrichtung hinter dem Resonator 22 und von diesem durch einen Laufraum 29 getrennt, befindet sich ein dritter Hohlraumresonator 30, der wie die Resonatoren 15 und 22 einen Teil des Kolbens 11 bilden oder innerhalb oder außerhalb des Kolbens angebracht sein kann. Der Laufraum 29 wird hier und auch bei den anderen Ausführungsbeispielen durch die Wand des Kolbens 11 begrenzt. Wenn der Kolben aus isolierendem Material besteht, wird jedoch zweckmäßig ein leitendes Rohr im Kolben 11 angeordnet, um eine Aufladung der Kolbenwand durch auffallende Streuelektronen zu verhindern. Der Resonator 30 weist wiederum einen hohlen einspringenden Teil 31 und eine öffnung 32 auf, die einen Spalt 33 bilden. Mit Hilfe der Koppelschleife 34 wird die verstärkte Signalenergie über die Leitung 35 der Belastung 36 zugeleitet. Da erfindungsgemäß die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 15 niedriger ist als diejenige der Resonatoren 22 und 30, ist eine veränderliche Spannungsquelle 37 an den Resonator 15 angeschlossen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Laufzeit der Elektronen im Resonator 15 unabhängig von den Resonatoren 22 und 30 optimal eingestellt werden.

Die üblichen magnetischen oder sonstigen Fokussierungseinrichtungen für den Elektronenstrahl sind zur Vereinfachung in den Figuren nicht dargestellt.

Der Elektronenstrahl geht axial durch die drei Hohlraumresonatoren. Beim Durchqueren des Spaltes 18 im Hohlraumresonator 15 wird er durch die von der Pumpquelle 21 gelieferte Pumpenergie in seiner Geschwindigkeit moduliert, wobei die Frequenz der Pumpenergie erfindungsgemäß kleiner ist als die Frequenz der zu verstärkenden Signalwellen. Nach dem Austritt aus dem Hohlraumresonator 15 geht der Strahl durch den Spalt 25 im Hohlraumresonator 22, wo er mit den Signalweller zusätzlich geschwindigkeitsmoduliert wird. Beim Durchqueren des Luftraumabschnittes 29 wandelt sich die Geschwindigkeitsmodulation des Strahles in Dichtemodulationen in Form von Raumladungswellen um.

Von größerer Wichtigkeit ist jedoch die Tatsache, daß sich die Pumpraumladungswelle und die höherfrequente Signalraumladungswelle parametrisch mischen, wobei wenigstens zwei Seitenraumladungswellen (Idlerraumladungswellen) entstehen, deren Frequenz niedriger als die Pumpfrequenz ist. Diese Sei tenraumladungswellen nehmen ihrerseits Energie von der Pumpwelle auf und tragen entweder unmittelbar oder zusammen mit zusätzlichen Seitenraumladungswellen, die durch parametrische Mischung mit einer oder mehreren Pumpharmonischen erzeugt werden, zur Verstärkung der Signalwelle bei, deren Amplitude zusammen mit der der Seitenraumladungswellen im Luftraum 29 exponentiell zunimmt. Beim Durchgang durch den Hohlraumresonator 30 gibt die verstärkte Signalraumladungswelle ihre Energie an den Spalt 33 ab, die dann über die Leitung 35 zur Belastung 36 fließt. Im folgenden soll dazu noch eine genauere Erläuterung gegeben werden.

Frühere Versuche und theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß man eine parametrische Verstärkung einer Signalraumladungswelle der Frequenz a>_s (Signalfrequenz) auf Kosten einer Pumpraumladungswelle der höheren Frequenz ω_ρ (Pumpfrequenz) erreichen kann. Auf dem Elektronenstrahl entsteht dann eine sogenannte Seitenraumladungswelle (Idlerraumladungswelle) der Frequenz «>,-, die

i₅

wie im Fall der Signalraumladungswelle exponentiell anwächst. Die Frequenz dieser Seitenraumladungswelle ergibt sich aus der Beziehung

Durch theoretische Untersuchungen kann gezeigt werden, daß die obere Frequenzgrenze der parametrischen Signal verstärkung abhängig von der Pumpfrequenz m_p ist.

Wie oben erwähnt, ist ein parametrischer Verstärker vorgeschlagen worden, der mit vier Grundfrequenzen arbeitet, wobei die Bedeutung dieser Arbeitsweise darin besteht, daß die Pumpfrequenz niedriger als die Signalfrequenz ist. Der vorgeschlagene Verstärker benutzt keinen Elektronenstrahl, sondern getrennte Signal- und Seitenwellenübertragungsleitungen, die mit Hilfe eines verteilten Reaktanzmittels über ihre Länge miteinander gekoppelt sind. Diees Reaktanzmittel wird dann in vorbestimmter Weise durch eine Pumpquelle auf Grund ferromagnetischer Resonanzerscheinungen geändert, um eine parametrische Verstärkung hervorzubringen.

Es wurde gefunden, daß die Konzeption der parametrischen Verstärkung mit vier Frequenzen unter gewissen, später beschriebenen Bedingungen bei Vorrichtungen auf der Grundlage einer Geschwindigkeitsmodulation eines Elektronenstrahls zur Schwingungserzeugung oder Verstärkung noch besser geeignet ist. überdies ermöglicht ein derartiger Oszillator einen wesentlich breiteren abstimmbaren Frequenzbereich als die vorgeschlagene Anordnung. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß der Elektronenstrahl gleichzeitig als Fortpflanzungsweg für die zu verstärkende Signalwelle und zwei oder mehr Seitenwellen dient, die für den Verstärkungsvorgang *äötwendig sind. Weiterhin kann der Elektronenstrahl in vorteilhafter Weise analog der Änderung des erwähnten Reaktanzmittels durch die Pumpwelle moduliert werden, deren Frequenz niedriger als die Signalfrequenz ist.

Um den theoretischen Zusammenhang besser vor Augen zu führen, soll der Fall betrachtet werden. daß die Beziehungen zwischen den vier Grundfrequenzen sowohl für den obenerwähnten Vorschlag mit einem veränderlichen Reaktanzmittel als auch für die erfindungsgemäße Geschwindigkeitsmodulation eines Elektronenstrahls gelten. Dann sollen die Bedeutung und die erfindungsgemiiß erreichbaren Vorteile erläutert werden.

Als Beispiel sei angenommen, daß die Pumpfrequenz t»_r dem Ausdruck

Aus Gleichung (4) ist ersichtlich, daß die Idlerfrequenz -y— Δ kleiner als die in Gleichung (2)

definierte Pumpfrequenz ω_ρ ist. Damit kann diese Idlerfrequenz, wie eine experimentell bestätigte theoretische Untersuchung zeigt, Energie von der Pumpwelle über eine zweite Idlerwelle entnehmen, deren Frequenz definiert ist zu

^2/1 -

Diese Idlerwelle wächst ebenfalls exponentiell an.

In gleicher Weise wird ersichtlich, daß die Pumpfrequenz, die in Gleichung (2) als -—- + Λ definiert ist, und die Idlerfrequenz, die in Gleichung (4) als -y— 1 definiert ist, miteinander gemischt werden

können, so daß sich eine parametrische Verstärkung bei der Frequenz

-Jl = W,

ergibt. Dies ist die ursprüngliche Signalfrequenz. Vorteilhafterweise erzeugt der Elektronenstrahl automatisch die notwendigen Idlerfrequenzen -~- — 1

und 2 I, die eine Verstärkung der Signalfrequenz «, ergeben. Da der Strahl die notwendigen Idlerfrequenzen erzeugt, ist es ferner möglich, eine Pumpfrequenz

zu benutzen, die kleiner als -^- ist. Je nach den

besonderen Werten muß der Strahl einfach die notwendige Anzahl von Idlerfrequenzen erzeugen, bis ein Paar von ihnen niedriger als die Pumpfrequenz ist. Wenn insbesondere die Pumpfrequenz «>_p innerhalb des Bereiches

r H+ J

(2) liegt, dann ist die Gesamtzahl der vorhandenen Frequenzen η + X wobei η > O ist.

Man sieht also, daß erfindungsgemäß der Elektronenstrahl gleichzeitig den übertragungsweg sowohl für die Signalwelle als auch für die Idlerwelle darstellt. Dies steht im Gegensatz zu dem erwähnten, bereits vorgeschlagenen Verstärker, bei dem getrennte Übertragungswege für die Signalwelle und die Idlerwellen sowie zur Kopplung zwischen diesen Wegen ein verteiltes Reaktanzmedium mit festen Abmessungen erforderlich sind. Wenn auch bei dem vorgeschlagenen Verstärker die Pumpfrequenz möglicherweise unterhalb ^- liegen kann, so wird doch in

diesem Fall der Wert der erreichten Verstärkung

>_s die Signalfrequenz und 1 ein Fre- beträchtlich herabgesetzt. Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz, denn das Anwachsen der Signal- und Idlerwellen. von denen die letzteren an Zahl fortschreitend zunehmen, wenn die Pumpfrequenz

genügt, wobei q

quenzzuwachs ist. der zwischen den Grenzen

^0<

liegt. In diesem Fall mischen sich die Signalfrequenz r»_s und die Pumpfrequenz -^f- + I unter Bildung einer Idlerfrequenz

unter ^~- erniedrigt wird, muß auf Kosten der Putnp-

welle stattfinden. Dementsprechend ist bei einem breiten Frequenzabstand zwischen der Signalfrequenz und der Pumpfrequenz bei derartigen Anordnungen eine Frequenzumwandlung unter Benutzung der verschiedenen Idlerwellen zwar möglich, jedoch nicht ohne eine bedeutende Verringerung der Verstärkung.

Erfindungsgemäß wird eine wirksame parametrische Mischung und eine wesentliche Verstärkung der Signalwelle auch bei einer Pumpfrequenz erreicht, die

niedriger als -~- ist (der oben untersuchte sogenannte

Vierfrequenzfall). Dies ist in erster Linie dadurch möglich, daß die nichtlinearen Eigenschaften des Elektronenstrahls zur Erzeugung von Harmonischen der Raumladungswellen sehr geeignet sind. Dementsprechend werden bei einer starken Pumpwelle Har- _!0 monische der Pumpfrequenz vorteilhafterweise dem Strahl aufgedrückt. Die infolge der höheren Pumpharmonischen erzeugten Frequenzen haben den gleichen Charakter wie die beiden oben definierten Idlergrundwellen. Da somit die Signalfrequenz unterhalb einer gegebenen Pumpharmonischen und alle Idlerfrequenzen unterhalb einer besonderen Pumpharmonischen oder ihrer Grundwelle der Pumpquelle Energie entziehen können, ist eine zusätzliche Quelle für die parametrische Verstärkung vorhanden, die die bei der Pumpfrequenz erreichte parametrische Verstärkung erhöht.
Als Beispiel sei der obige Fall betrachtet, bei dem

0<

(8)

30

Unter diesen Bedingungen ist die zweite Harmonische der Pumpfrequenz m_p gleich o_s +2 1, wobei dieser Wert höher als die Signalfrequenz ist. Demnach wird die Signalfrequenz m_s mit der Pumpharmonischen »j_v +2 I so gemischt, daß eine Idlerwelle der Frequenz 2 I entsteht, die Energie abzieht und exponentiell zunimmt. Die Idlerfrequenz 2 I, die niedriger als die

Pumpfrequenz i»_p = "* + I ist, entzieht der Pumpfrequenz i»_p ebenfalls Energie, und zwar über eine Idlerfrequenz, die wie folgt definiert ist:

;„ -21=^+1-21=^-1. (9)

45

Man sieht also, daß die Idlerfrequenzen y -

und 2 ! automatisch mit Hilfe eines Elektronenstrahls erzeugt werden, gleichgültig, ob o>_p oder eine Pumpharmonische benutzt wird, wenn <·>_ρ größer als

"■1 ist. Es kann in gleicher Weise gezeigt werden, daß ■■— wenn die Pumpfrequenz a_p niedriger als

■-y- ist. die gleichen Idlerfrequenzen entstehen, gleichgültig, ob die Mischung zwischen der Signalfrequenz ci_s und der Pumpfrequenz m_p oder einer Harmonischen hiervon stattfindet. Dementsprechend entsteht durch Benutzung des nichtlinearen Elektronenstrahls und einer Pumpquelle hoher Energie mit einer Frequenz, die erfindungsgemäß niedriger als die Signalfrequenz ist. eine Anzahl von Pumpharmonischen, die dem Strahl in Form von Raumladungswellen aufgedrückt sind und die die Verstärkung der Signalwelle über denjenigen Wert hinaus erhöhen, der bei Ausnutzung nur der Pumpfrequenz erreicht wird. Der frühere Nachteil parametrischer Verstärker unter Verwendung eines veränderlichen Reaktanzmediums, nämlich eine fortschreitende Abnahme der Signalverstärkung bei Erniedrigung der Pumpfrequenz unter -y-, ist also für einen großen Frequenzabstand

zwischen der Signalfrequenz und der Pumpfrequenz im wesentlichen beseitigt.

Als Beispiel veranschaulicht F i g. 2 die Verstärkung, die bei einer Vorrichtung der in F i g. 1 dargestellten Art erreicht wird. Bei einem Pumphohlraumresonator, der bei 2973 MHz in Resonanz ist, einer Pumpenergie von 50 mW und einem festen Signal mit einer Frequenz von 4200 MHz, das an einen Signalhohlraumresonator angelegt ist, zeigt die Kurve 38 die exponentiell Signalverstärkung in Dezibel abhängig vom Abstand in Zentimeter entlang des Luftraumes, die an einem einstellbaren Ausgangshohlraumresonator festgestellt wurde, der sich bei 4200 MHz in Resonanz befindet. Ohne Pumpenergie weist die durch die Kurve 39 dargestellte Signalwelle eine im wesentlichen konstante Amplitude in Form einer stehenden Welle auf. Diese Kurve stellt die maximale Verstärkung dar, die durch einen üblichen Klystronverstärker erreichbar ist. Demgegenüber zeigt die durch die Kurve 38 dargestellte exponentiell zunehmende Signalquelle in klarer Weise die Bedeutung und die Vorteile, die insbesondere bei sehr hohen Frequenzen durch die Erfindung verwirklicht werden.

F i g. 3 zeigt schematisch einen Oszillator 40 Für sehr hohe Frequenzen, der das Erfindungsprinzip verkörpert. Insoweit die Bauteile in F i g. 3 denen in F i g. 1 grundsätzlich gleichen, sind die gleichen Bezugszahlen benutzt worden. Das wesentliche Merkmal des Oszillators 40 in F i g. 3 ist die Verwendung eines äußeren Rückkopplungskreises, der als Beispiel in Form eines rechteckigen Hohlleiters 41 dargestellt ist. Der Hohlleiter 41 ist mit den Hohlraumresonatoren 22 und 30 durch die Koppelschleifen 26 bzw. 34 verbunden. Ein Hohfleiterkoppler 42 überträgt einen Teil der Schwingungsenergie zur Belastung 36.

Der Elektronenstrahl geht axial durch alle Hohlraumresonatoren hindurch. Am Spalt 18 im Hohlraumresonator 15 wird er mit der von der Pumpquelle 21 gelieferten Pumpenergie in seiner Geschwindigkeit moduliert. Die Pumpfrequenz ist erfindungsgemäß niedriger als die Signalfrequenz. Nach dem Austritt aus dem Hohlraumresonator 15 geht der Strahl durch den Spalt 25 im Hohlraumresonator 22, wo er mit der Signalenergie geschwindigkeitsmoduliert wird. Die Signalenergie wird an den Resonator 22 über den äußeren Rückkopplungsweg 41 angelegt. Die Signalenergie entsteht ursprünglich durch Rauschkomponenten kleiner Amplitude, die beim Durchqueren des Laufraumes 29 zu Dichtemodulationen ausreichender Größe werden, um eine Schwingung der gewünschten Frequenz anzuregen, wenn der Elektronenstrahl den Spalt 33 im Resonator 30 durchquert.

Beim Durchqueren des Laufraunies 29 mischen sich die Pump- und Signalraumladungswellen parametrisch und erzeugen wenigstens zwei Seitenwellen, deren Frequenz niedriger als die Pumpfrequenz ist und die der Pumpwelle Energie entziehen. Diese Seitenwellen liefern unmittelbar oder zusammen mit zusätzlichen, durch parametrische Mischung mit Pumpharmonischen erzeugten Seitenwellen die exponentielle Verstärkung der Signalwelle im Luftraum 29. Beim Durchqueren des Hohlraumresonators 30 wird die verstärkte Signalenergie abgenommen und

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durch die Koppelscheibe 34 in den Rückkopplungshohlleiter 41 gegeben, wobei der größere Teil der verstärkten Signalenergie über den Koppler 42 zur Belastung 36 geht und der Rest zum Hohlraumresonator 22 zurückgeliefert wird, um die Schwingun- gen aufrechtzuerhalten.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 wird ein äußerer Rückkopplungsweg benutzt. Oft kann es jedoch zweckmäßig sein, einen inneren Rückkopplungsvorgang zu verwenden, wobei der Elektronenstrahl selbst als das Medium benutzt wird, durch das die Energie zurückübertragen wird. Mit anderen Worten, der Strahl wirkt als positiver Rückkopplungsweg.

F i g. 4 zeigt einen Vorwärtswellenverstärker 80 auf der Grundlage der Erfindung. Er weist zwei Doppelspalt-Hohlraumresonatoren 81 und 82 mit Laufraumrohr auf. Die Bedeutung der Doppelspalt-Hohlraumresonatoren und die spezielle Art, in der die Strahl raumladungsmoduliert wird, sollen nachfolgend kurz beschrieben werden. Der Vorwärtswellenverstärker besitzt wieder einen evakuierten Kolben 11, an dessen gegenüberliegenden Enden sich das Elektronenstrahlerzeugungssystem 12 und die Auffangelektrode 13 befinden. Dazwischen ist ein erster Hohlraumresonator 81 angeordnet, der vorzugsweise aus einem gut leitenden Material besteht. Wie in Verbindung mit F i g. 1 erklärt wurde, können die in F i g. 4 benutzten Resonatoren als Teil des Kolbens 11 ausgebildet sein, oder sie können innerhalb oder außerhalb des Kolbens angebracht sein. Der Hohlraumresonator 81 ist mit einem ersten hohlen einspringenden Teil 83 und mit einem zweiten derartigen Teil 84 versehen. Zwischen den beiden einspringenden Teilen ist ein hohler leitender Teil 85 angeordnet, das innerhalb des Resonators einen Laufraum mit einer Länge von vorzugsweise einem Viertel der Plasmawellenlänge bildet. Die einspringenden Teile 83 und 84 bilden mit dem Teil 85 enge Spalte 86 und 87, an denen der Elektronenstrahl vorbeigeht. Die Koppelschleife 88 steht über die Leitung 90 mit einem Lastwiderstand 89 in Verbindung.

In Strahlrichtung hinter dem Hohlraumresonator 81 befindet sich ein zweiter Resonator 82, der im Aufbau dem Resonator 81 ganz ähnlich ist. Er besteht also aus einem ersten und einem zweiten hohlen einspringenden Teil 91 bzw. 92 und einem hohlen leitenden Teil 93, der zusammen mit den einspringenden Teilen 91 und 92 zwei Spalte 94 und 95 bildet. Der Resonator 82 ist mit einer Koppelschleife 96 versehen, die über eine Leitung 97 mit der Pumpquelle 98 verbunden ist.

In Strahlrichtung hinter dem Resonator 82 befindet sich eine Koppelvorrichtung 99, die als Beispiel und der Einfachheit halber in Form einer kurzen leitenden Wendel dargestellt ist. Der Wendelkoppler 99 ist am hinteren Ende durch einen Widerstand 100 abgeschlossen, der z. B. aus einem die Wendel in der dargestellten Weise umgebenden Dämpfungsring bestehen kann, über die Leitung 101 wird dem Wendelkoppler 99 die zu verstärkende Signalenergie von der Signalquelle 102 zugeführt. In Strahlrichtung hinter dem Wendelkoppler 99 und von diesem durch einen Laufraum 103 getrennt liegt ein weiterer Wendelkoppler 104, dessen vorderes Ende durch einen Dämpfungsring 105 abgeschlossen ist. über die Leitung 106 wird die Energie vom Wendelkoppler 104 der Belastung 107 zugeführt.

Beim Durchlauf durch den Hohlraumresonator 81 wird dem Elektronenstrahl die Schnellwellen-Rauschenergie im Signalfrequenzbereich entzogen. Wie erwähnt, weist der Elektronenstrahl nach Verlassen des Elektronenstrahlerzeugungssystems 12 sowohl Schnellwellen- als auch Langsamwellen-Rauschmodulationen auf. Der Hohlraumresonator 81 ist so ausgeführt, daß er bei der mittleren Frequenz der zu verstärkenden Signale in Resonanz ist, und der Strahl gibt dann an den Hohlraumresonator 81 Schnellwellen-Rauschenergie im Signalfrequenzbereich ab. Diese Rauschenergie wird über die Koppelschleife 88 abgenommen und von dem Widerstand 89 absorbiert. Der Strahl ist also nach dem Austritt aus dem Resonator 81 im wesentlichen frei von Schnellwellen-Rauschmodulationen innerhalb des Frequenzbereiches der zu verstärkenden Signale.

Wenn der Strahl durch den Hohlraumresonator 82 hindurchgeht, der erfindungsgemäß bei einer Pumpfrequenz in Resonanz ist, die niedriger als die Signalfrequenz ist, wird er in der schnellen Wellenform mit Pumpenergie aus der Quelle 98 in seiner Geschwindigkeit moduliert. Der Strahl tritt dann im Wendelkoppler 99 in Wechselwirkung mit der Signalwelle. Dieser Koppler erzeugt Signalraumladungswellen in der schnellen Wellenform. Im Laufraum 103 nehmen erfindungsgemäß die Signalwellen in der schnellen Form exponentiell auf Grund von Seitenwellen zu, die auf Kosten der Pumpenergie erzeugt werden. Die verstärkte Signalwellenenergie in der schnellen Wellenform erzeugt dann im Wendelkoppler 104 eine Signalwellenenergie, die wesentlich größer als die mit der üblichen Geschwindigkeitsmodulation bei sehr hohen Frequenzen erreichbare ist.

Um einen vollständigen übergang der Signalenergie vom Wendelkoppler 99 auf den Elektronenstrahl und umgekehrt vom Elektronenstrahl auf den Wendelkoppler 104 sicherzustellen, sind die Wendelkoppler zweckmäßig so bemessen, daß sie der »Kompfner-Dip«-Bedingung genügen. Es sei kurz erwähnt, daß ein Wendelkoppler zum Einkoppeln von Energie, der entsprechend der »Kompfner-Dip«- Bedingung arbeitet, sicherstellt, daß keine Wellenenergie mehr am in Strahlrichtung hinteren Ende der Wendel vorhanden ist, daß also die gesamte Energie auf den Strahl übertragen worden ist. Entsprechendes gilt für den Wendelkoppler 104, bei dem die gesamte Schnellwellenenergie des Elektronenstrahls als Signalenergie am hinteren Ende des Kopplers erscheint. Damit eine Schnellwellenverstärkung erreicht wird, ist es ferner notwendig, daß die sich entlang den Wendelkopplern 99 und 104 fortpflanzende Wellenenergie allein mit der Schnellwellenenergie des Elektronenstrahls synchronisiert ist. Bekanntlich laufen die Raumladungsschnellwellen mit einer Geschwindigkeit, die größer als die Gleichstromgeschwindigkeit des Strahles ist, während die Raumladungslangsamwellen langsamer als die Gleichstromgeschwindigkeit des Strahles sind. Der Elektronenstrahl muß also im Wendelkoppler 99 mit einer derartigen Geschwindigkeit laufen, daß die Schnellwellen auf dem Strahl in Synchronismus mit der Signalwelle sind, die sich entlang des Wendelkopplers 99 fortpflanzt. Zu diesem Zweck wird der Wendelkoppler 99 mit Hilfe einer veränderlichen Spannungsquelle 108 auf einem geeigneten Potential gehalten. Ebenso ist eine getrennte veränderliche Spannungsquelle 109 an den Wendelkoppler 104 angeschlossen, um einen optimalen Signalenergieübergang vom Strahl zum Koppler un-

abhängig von anderen Schaltungselementen zu erhalten. Um die Laufzeit der Elektronen in den Hohlraumresonatoren 81 und 82 getrennt einstellen zu können, sind diese mit zwei einstellbaren Spannungsquellen 110 und III verbunden. Eine dritte einstellbare Spannungsquelle 14 ist vorgesehen, um die richtige Grundspannung anzulegen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur parametrischen Vergrößerung der Energie sehr hochfrequenter Wellen (Signalwellen) einer bestimmten Frequenz (Signalfrequenz) mit Hilfe eines Elektronenstrahls, der von den Signalwellen sowie von Pumpweilen einer bestimmten Frequenz (Pumpfrequenz), die niedriger ist als die Signalfrequenz, in der Geschwindigkeit moduliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die parametrische Vergrößerung der Signalwellenenergie dadurch erfolgt, daß der Elektronenstrahl nachdem er mit den Signalwellen und den Pumpwellen in der Geschwindigkeit moduliert worden isl, einen Laufraumabschnitt durchläuft.

in welchem zunächst Energie von den Pumpraum-Jadungswellen auf wenigstens zwei Seitenraumladungswellen (Idlerraumladungswellen), deren Frequenzen niedriger sind als die Pumpfrequenz, und von diesen auf die Signalraumladungswellen übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere parametrische Vergrößerung der Signahvellenenergie dadurch erfolgt, daß der Elektronenstrahl außer mit den Pumpwellen einer bestimmten Frequenz (Pumpfrequenz), die niedriger ist als die Signalfrequenz (Pumpgrundwellen), noch mit mindestens einer Frequenzharmonischen der Pumpgrundwellen (Pumpharmonische) in der Geschwindigkeit moduliert worden ist, durch die die parametrische Vergrößerung der Signalwellenenergie wie mittels der Pumpgrundwellen über Seitenraumladungswellen (Idlerraumladungswellen) erfolgt, deren Frequenzen niedriger sind als die der betreffenden Pumpharmonischen (gegebenenfalls also auch noch niedriger als die der Pumpgrundwellen).

3. Elektronenstrahlröhre zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem am einen und einer Auffangelektrode am anderen Röhrenende, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Weg des Elektronenstrahls vom Elektronenstrahlerzeugungssystem (12) zur Auffangelektrode (13) ein erster Hohlraumresonator (15) angeordnet ist, der den Elektronenstrahl mit den Pumpwellen moduliert, daß ein von dem ersten Hohlraumresonator (15) durch einen kurzen Laufraumabschnitt getrennter zweiter Hohlraumresonator (22) vorgesehen ist, der den Elektronenstrahl mit den Signalwellen moduliert, und daß zwischen dem zweiten Hohlraumresonator (22) und der Auffangelektrode (13) eine Auskoppelvorrichtung (30) zur Abnahme der verstärkten Signalwellen angeordnet ist.

4. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Weg des Elektronenstrahls vom Elektronenstrahlerzeugungssystem (12) zur Auffangelektrode (13) dem ersten Hohlraumresonator (82) ein mit einem Lastwiderstand (89) verbundener Hohlraumresonator (81) vorgeschaltet ist, der wie der erste Hohlraumresonator (82) als Doppelspalt-Hohlraumresonator mit kurzem Laufraumabschnitt ausgebildet ist, daß an Stelle des zweiten Hohlraumresonators ein Wendelkoppler (99) vorgesehen ist und daß die Auskoppelvorrichtung ebenfalls als Wendelkoppler (104) ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen