DE2138799A1 - Verfahren fur den stabilen Betrieb einer Rohre mit Verzögerungsleitungen aus gekoppelten Hohlräumen und dazu geeignete Rohre - Google Patents
Verfahren fur den stabilen Betrieb einer Rohre mit Verzögerungsleitungen aus gekoppelten Hohlräumen und dazu geeignete RohreInfo
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- H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems
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Description
einer Linie im allgemeinen parallel zur Strahlachse ausge-*
fluchtet sind. Diese ausgefluchtete Schutzanordnung erlaubt höhere Wechselwirkungsimpedanz im Bereich von 1,5T
bis 1 t8T rad Phasenverschiebung pro Hohlraumperiode ohne
Bandkanteninstabilität.
Es ist bereits versucht worden, bei Verzögerungsleitungen
aus gekoppelten Hohlräumen den höherfrequenten SchlLitzmodus und den tieferfrequenten Hohlraummodus an der oberen Band-
* kante des Hohlraummodus zu koalisieren, um die kalte Bandbreite
der zusammengesetzten Verzögerungsleitung deutlich zu vergrößern» Bei dieser Leitung aus gekoppelten ,lohlräumen
waren jedoch die Koppelschlitze in aufeinanderfolgenden Endwänden der Hohlräume gegeneinander versetzt, so dai3 die durch
die Verzögerungsleitung laufenden Wellen über die T'echselwirkungsspalte
nach Art eines gefalteten Hohlleiters mäanderten» Das Problem bei dieser Form liegt darin» daß zwar die kalte
Bandbreite der Leitung durch die Koalition der Schlitz- und Hohlraum-Modi erheblich vergrößert wird, der Rückwärtswellenzweig
des ο -β Diagramms jedoch in dem Teil der Leibung mit
2.TPhasenverschiebung pro Periode eine erhebliche Veehsel-Wirkungsimpedanz
aufweist und die Leitung dazu nei-rt, im ZT-*
Punkt des Hohlraummodus in RUckwärtswellenschwingUägen auszubrechen.
Trotz der Koalitiaa der Schlitz- und Ko.'ilraum-Modi
in der Leitung mit versetzt gekoppelten Hohlräumen ist die nutzbare Bandbreite der warmen Röhre erheblich kleiner
als dl3 kalte Bandbreite der Leitung. Leitungen aus gekoppelten
Hohlräumen mit versetzt koalisierten Schlitz- und Hohlraum-Ilodi
warden deshalb bei MikrowallerirÖhren nicht verwendete
Durch di-_ ilrfLnduri^ α η Ll eLiie verböaüöfte VefM>£öt nig. .J .-->\':::-t,-,
2 Π 9 8 I I / M M
BAD ORIQINAI.
aus gekoppelten Hohlräumen und damit versehene Mikrowellen«
röhren verfügbar gemacht
ErflndungsgemäÖ wird ©in© Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen für eine Mikroxrellenrghx3® verfügbar gemacht 9
die eine Reihe von Koppelsehlitzen aufweist'» die Jeder eine
Resonanzfrequenz im isressntXiehea b©i d@r ©berem Bandkanten-
£2»@quenz des Hohlrauiaiaodus atafi^iseac w& die SioeMreqixente
Basdkaate ä®m Hohlr&emcdus ®d dia aiederfrtqueate Baadkamte
des Schlitzmodus zu tö&lls>i.®r®ns vm dl® Bandbreite des Durehlaßbandes
der gssssate»
bei der die KoppelselalitE© äa g@g@
tjeö©r der gekoppeltes EoMrliM® mit £te©a gecjüetrisehen Mit» telpualcten auf der gleiehem S@it@ du© Stx'aSalxftges lieges* iand diese Mittelpunkt© i® w©g©a,tl£©hes, Im, ©la© Ib@a@ fallene di© dureh die Aelise des Strablw©g©s issd dl® Mittelpiss&te der Koppelschlitze definiert ist5 go. daS di@ ¥@©hsel^irkuagsimpedanz des Spaltes feeim Betriebsptankt 2 TF^asesw pro Ho&Lraus in w©@©atli©h©a -^©^aiieSilassigfeas0 £gt8
bei der die KoppelselalitE© äa g@g@
tjeö©r der gekoppeltes EoMrliM® mit £te©a gecjüetrisehen Mit» telpualcten auf der gleiehem S@it@ du© Stx'aSalxftges lieges* iand diese Mittelpunkt© i® w©g©a,tl£©hes, Im, ©la© Ib@a@ fallene di© dureh die Aelise des Strablw©g©s issd dl® Mittelpiss&te der Koppelschlitze definiert ist5 go. daS di@ ¥@©hsel^irkuagsimpedanz des Spaltes feeim Betriebsptankt 2 TF^asesw pro Ho&Lraus in w©@©atli©h©a -^©^aiieSilassigfeas0 £gt8
Gemäß eines3 speziellen Austoild^mg d@^ I^fiadMag wird der
Strahl kumislativ im Bereich von I9OiT^Is 2 B OT rad Phasenver
schiebung pro Hohlraum der Y@rz8gerwnggl@itrag aus gekoppel
ten. Hohlräumen elektromagnetisch mit der Ssfcv/ingungsenergie
in der Leitimg zur Wechselwirkung gebrachte s© daß die Wech
selv/irkimgsimpedanz der Leitung erlieblieh vergrößert wird.
Die Erfindung soll anhand ά®τ geietensg siiJiar erläutert werden; es zeigern
Fig. 1 sehematische teilweise als Blockschaltbild9
teilweise als Schemazeichnung und teilweis© als schematisoher Schnitt eia© älter® Mkrbwellenröhre;
20981 1/1111
-BAD ORIGINAL
Fig. 2 perspektivisch einen gekoppelten Hohlraum der Leitung nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform
der in Fig. 1 mit einer Kreislinie umschlossenen Teilen mit Merkmalen der Erfindung;
Fig. 4 schematiscli perspektivisch einen gekoppelten Hohlratm der Leitung nach Fig. 3»
Fig» 5 ein«-β-Diagramm zur Yeranschaulichung des
Burehlaßbandes einer Leitung für den Hohlratanden
Schlitzmodus und koalisierte Hohlraumund Schlitz-Modi?
Fig« β die normierte Frequenz aufgetragen über der
-»0mi@rten; Phasenverschiebung pro Hohlraum zur
Veraneehaulichung der Dispersionskennlinie einer Leitung aus versetzt gekoppelten Hohlräumen
tind Verzögerungsleitungen mit ausgefl^ehtet
koalisierten Hohlräumen nach der Er-
di© Wecläselwirkirngsspaltimpedanz aufgetragen
über der normierten Phasenverschiebung pro Hohlraum
&%w Veranseheiulichung der Kennlinien einer
erfia&ungsgemiBea Leitung mit ausgefluchtet koalisierten
Hohlräumen und mit versetzt koalisierten Hohlräumeaj und
FIg9 6 den Zusammenhang zwischen der Eingangsleistung
Kilowatt, aufgetragen über der Frequenz in
ztH· Veransehaulichiang der Ausgangskennlinie
©iasr ¥anderfeldröhre mit Merkmalen der Erfindung.
in Fig. 1 dargestellte Röhre weist ein Elektronenstrahlerzeuguagssystem
2 auf* das so angeordnet ist, daß ein Elektronenstrahl
3 über ©inen länglichen Strahlveg zu einem Kollektor
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projiziert wird, wo der Strahl aufgefangen und dessen Energie
abgeführt wird. Eine Verzögerungsleitung 5 aus gekoppelten Hohlräumen ist längs des Strahlweges 3 zur kumulativen
elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Strahl angeordnet. Die Leitung 5 ist bei einer Ausführungsform für Betrieb in
dem Teil des O-(J-»Diagramms ausgelegt, das zwischen aufeinanderfolgenden
Wechselwirkungsspalten der Leitung sich eine Phasenverschiebung von 1,OTbis 2,01"ergibt· Mit anderen
Worten, die Leitung wird in der zweiten Raumharmonischen des u - β -Diagramms betrieben, um über einen Eingangskoppler,
beispielsweise eine Eingangskoppelblende 6, auf die Leitung 5 gekoppelte Schwingungsenergie zu verstärken. Die
Schwingungsenergie tritt in kumulative Wechselwirkung mit dem Strahl, um eine verstärkte Ausgangsschwingung zu erzeugen,
die vom strahlabwärtigen Ende der Leitung über eine Auskoppelblende 7 in einen Hohlleiter 8 gekoppelt wird, der mit
einer nicht dargestellten Last in Verbindung steht, beispielsweise
einer Antenne.
Die dargestellte Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen weist eine längliche Anordnung aus Hohlraumresonatoren
auf j die über einer Reihe von Koppelschlitzen 11 gekoppelt
sind, die längs der Leitung in gegenüberliegenden Endwänden jedes der Hohlräume versetzt angeordnet sind. Genauer gesagt,
die Koppelschlitze 11 alternieren von einer Seite des Strahls zur anderen, wie die Schwingungsenergie in Haupt·
richtung des Strahls durch die Leitung wandert. Das wird im folgenden als "versetzte" Kopplung bezeichnet und ist in
Fig. 2 dargestellt.
Diese versetzt gekoppelte Verzögerungeleitung 5 hat das in
Fig. 5 mit den Kurven 12 und 13 dargestellte Q -flDiagramm.
Die Kurve 12 repräsentiert das ω-/2 Diagramm für das erste
oder niederfrequente Durchlaßband des Hohlraummodus, und Kurve 13 das ω -/^Diagramm des höheren Durchlaßbandes des
»Schlitzmodus der versetzt gekoppelten Leitung 5. Durch ent«
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sprechende Dimensionierung der Hohlräume 9 und Abstimmung der Resonanzfrequenz der Schlitze 11 auf eine Frequenz deutlich
unter der oberen Durchlaßbandkante des Hohlraummodus ist diese Leitung zu koalisieren. Wenn die beiden Modi, nämlich
der Schlitzmodus und der Hohlraummodus koalisisrt werden« ergibt sich das c*-0 Diagramm gemäß Kurven 14 und 15 in
Fig. 5 für die Leitung mit versetzten Schlitzen. Die kalte Bandbreite für die koalisierte» versetzte Leitung ist also
deutlich höher, verglichen mit der Leitung vor Koalition der Modi. Wie jedoch in Fig. 7 erkennbar ist, steigt dis Wechselwirkungsimpedanz
für die nichtkoalisierte, versetzte Leitung auf sehr hohe Impedanzen für Phasenverschiebungen pro
Hohlraum zwischen 1,6T und 2,01", während die Impedanz für
die koalisierte Leitung auf einem relativ hohen Wert konstant wird.
Das bedeutet, daß für vernünftige Verhältnisse der Schlitzinduktivität
zur Schlitzkapazität, das heißt deutlich größer als Null, die Strahlgeschwindigkeit zur Wechselwirkung allgemein
unterhalb von 1t5T Phasenverschiebung pro Hohlraum
eingestellt werden muß, oder eine Wechselwirkung durch die hohe Wechselwirkungsimpedanz in der Nähe von 2,0irPhasenverschiebung
pro Hohlraum erhalten wird, so daß die Röhre in Schwingung gerät.
Das Einschalten muß deshalb sehr sorgfältig ausgeführt werden,
um zu erreichen, daß der Strahl derart eingeschaltet wird, daß die Strahlspannung nicht durch eine niedrigere Strahlspannung
läuft als sie für den Betrieb zwischen 1,0iTund 1,51Γ
Phasenverschiebung pro Hohlraum benötigt wird, oder die Leitung gerät in Schwingung.
Ein weiterer Nachteil für Betrieb im Bereich von 1»0f bis 1,5T
rad Phasenverschiebung pro Hohlraum liegt darin, daß bei
20981 1/1111 ~ 7 ~
relativ hohen Frequenzen5 ©twa im
di@ HohlrauaaXäng© ©des3 gemeinsame ¥aadgtis»ke rimes für eine fest© Str©Mg©s©Mi!Migk@£t relativ . Di© HuhlrsuiäXBnge umu e£asela@
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098 11/1 1 1 1
BAD ORIGINAL
wirkungsspaltimpedanz der koalisierten'ausgefluchteten Leitung dazu neigt, in der Nähe des Punktes 2Trad Phasenver-
Schiebung pro Hohlraum deutlich fällt, während die Kurveaschar für die Weehselwirkungsspaltimpedanz nach Figuren 1
und 2 im Betriebspunkt 2T nach unendlich strebt.
Bei der ausgefluchteten koalisierten Leitung nach Figuren 3
und 4 kann also die Strahlspannung durch den Betriebspunkt
2T laufen? ohne daS Instabilitäten in der Röhre auftreten,
und ohne daß Rückwärtswellenschwingungen verursacht werden»
Die Leitung nach Figuren 3 und 4 kann also im Bereich von 1»5Tbis 1,8'T rad Phasenverschiebung pro Hohlraum betrieben
werden, ohne daß Instabilitäten auftreten«. Dadurch kann die Periode der Leitung für eine bestimmte Betriebsfrequenz erheblich
vergrößert werden, wodurch eine höhere Wechselwirkungsspaltimpedanz
für die Leitung oder, wenn stattdessen mehr Wert auf Wandstärke als auf Weehselwirkungsepaltimpedanz
gelegt wird, kann die Wärmekapazität der Leitung erheblich gegenüber der versetzten Leitung nach Figuren 1 und 2 vergrößert
werden. :
Insbesondere kann die koalisierte ausgefluchtete Leitung nach Figuren 3 und 4 bei einer normierten Phasenverschiebung
pro Hohlraum zwischen 1,6Tund 1,8TT rad pro Hohlraum betrieben
werden. Das repräsentiert etwa eine 25 % größere Periodenlänge für die koalisierte ausgefluchtete Leitung verglichen
mit der koalisierten versetzten Leitung. Diese zusätzliche Länge kann entweder in die Hohlraumhöhe gelegt werden,
vaa die Wechselwirkungsimpedanz zu vergrößern, oder kann dazu
verwendet werden, die Wandstärke zwischen Hohlräumen 9 gu erhöhen. Wenn beispielsweise die anfängliche Wandstärke
25 % der Periode repräsentiert, und eine Hohlraumhöhe von 75 % vorgesehen ist, ergibt eine 25 #ige Steigerung der
Periode, das die gleiche Hohlraumhöhe in Verbindimg mit der
doppelten Wandstärke zwischen Hohlräumen 9 verwendet werden
209811/1 11t
kann. Dadurch wird praktisch die Fähigkeit der Leitung zur Energieaufnahme verdoppelt.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der koalisierten ausgefluchteten Leitung 19 ist ihre Immunität gegen Bandkanteninstabilitäten·
Bei den oben beschriebenen Verzögerungsleitungen mit einer üblicheren Phasencharakteristik8 wie Kurven 25
und 26 in Fig. 7 und Kurven 27 und 28 in Fig. 6 nähert sich die Neigung im Phasendiagramm an den Bandkanten Null und
sorgt für eine hohe Wechselwirkungsimpedanz bei diesen Frequenzen. Da die Leitungsanpassungen bei diesen Frequenzen
im allgemeinen auch schlecht sind, treten häufig monotronartige Resonanzschwingungen auf, sofern nicht spezielle Konstruktionstechniken
verwendet werden, um diese Schwingungen zu unterdrücken. Wieder durch die einzigartigen Eigenschaften
der koalisierten ausgefluchteten Leitungen 19 wird der Hohlraummodus, der die Wechselwirkungsfelder in den Hohlraumspalten
erzeugt, am 2T-Punkt in der Leitung nicht geführt. Das ist grundsätzlich darauf zurückzuführen, daß bei der
koalisierten ausgefluchteten Konstruktion die Schlitze bei dieser Frequenz in Resonanz kommen, während die Schlitzresonanzfrequenz
in einer koalisierten versetzten Leitung immer unterhalb dieses Punktes in der Frequenz liegt. Der Hohlraumspaltmodus
erhält keine merkliche Anregung in der ausgefluchteten koalisierten Leitung,unter Bedingungen, bei denen die
Schlitze eine hohe Impedanz darstellen. Im gewissen Sinne ist das analog zu dem Versuch, eine Halbwellensektion einer
leerlaufenden übertragungsleitung dadurch zu erregen, daß in der Mitte statt an den Enden der Leitung ein Spannungsmaximum
erzeugt wird. Die fast vollständige Unterdrückung der Spaltwechselwirkungsimpedanz, die der ausgefluchteten
Leitung am 2'fc-Punkt zugeordnet ist, ist in arbeitenden Röhren
beobachtet worden·
Die gesamte Spaltwecheelwirkungsimpedanz V" einer Leitutsg
zP
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aus gekoppelten Kohlräumen wird hauptsächlich durch das Verhältnis R des Hohlraums und die Neigung der Phasenkurve
festgelegt. Die Wechselwirkungsimpedanz ist immer dort relativ hoch, v/o die Gruppengeschwindigkeit der Leitung niedrig
1st· Die effektive Strahlwechselwirkungsimpedanz hängt auch von dem Spaltkoppelkoeffizienten ab» so daß eine Gütezahl 2
für Leitungen aus gekoppelten Hohlräumen den Wert (gj (ij_J
Figur 7 zeigt die gesamte Spaltwechselwirkungsimpeaanz der in Fig. 6 präsentierten Leitungsschar. Alle Leitungen sind
R.
für * ts 50 berechnet. Die mit der versetzten Leitung nach
Figuren 1 und 2 erhaltenen Impedanzen liegen zwischen den Grenzen der Kurven A und B. Die koalisierte ausgefluchtete
* Leitung neigt dazu» höhere Impedanzen bei niedrigen Werten von/3_ zu produzieren» wegen der niedrigen Gruppengeschwindigkeit» die unter solchen Bedingungen der Leitung zugeordnet ist.
Gemessene Impedanzdaten stimmen gut mit den berechneten Ersatzschaltbilddaten überein, ausgenommen hinsichtlich der
Voraussage der Wechselwirkungsimpedanz Null» die experimented, am Punkt 2T im Falle der koalisierten ausgefluchteten
Leitung beobachtet wird.
Tn einer Mikrovellenrönre der in Figuren 3 und 4 dargestellten Art» die für Betrieb im Ku-Band ausgelegt wurde» ent
sprach die Fhaeenkurve der Kurve» die ein Verhältnis ^f von
1000 in Figuren 6 und 7 hat. Eine solche Röhre wurde mit
einer Perveanz von 0,8 χ 10 und einer Strahlspannung von
20 »7 kV bei einem Strahlstrom von 2,35 Ampere betrieben. Figur 6 zeigt die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der
Frequenz· Die gemessene MaximalleiBtung betrug 8,4 kV Dauerstrich mit einer 1 dB-Bandbreite von Z CA und einer Aussteuerungeverstärkung von 34»7 dB. Die Röhre wurde ohne Strahlstrommodulatlonselektrode aufgebaut· Der Leitung wurde auch
2 0 9811/111 1
kein SchwinguBgsdSmpfimgsaateri&l Masugefügto D!<s gemessene
Einsatzdämpfung des» LeituBgssektiosi betrug etwa 1 dB. Strahl
leistung wurde der Röhr© dadurÄ gng©fführt 9 daß die Strahl»
spannung von Hüll zur Batriebsspaa&tsag ^t^Sndert ward®,» Die
Strahlspannung wurd© ctesia. d©n Pisäkt-2Tg@£ttet0 um nach
Banäkanteainstabilitätes zu e^etoas Bs wjrden fetiae Isstabi«
beobachtet» Bl© EliiaialsiriMg d@r H©tw@adigl£eit für
erheblich^ isss^eBQsad©^© ^)@£ ä®m
dl©
Bi© Leitung n&oh
ten Hohlräum@a 1st
weä&fe-selwirksiiig la
die mit einer
IMd 18^1* rad pr©
weis© a\2ßli als
wessen ρ bei d&r
verweadet wird» rauBuLeltss^g nach
schließt,.
20981 1/1111
Claims (1)
- V1 P 298 DPatentansprüche1» Verfahren zum stabilen Betrieb einer Röhre mit einer'Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen* die mit kumulativer elektromagnetischer Wechselwirkung mit dem strahl im, Bereich von 1,0^bIs 290iTr&& Phasenverschiebung ;pro Psricds der Verzögerungsleitung arbeitet s dadurch g e k e a η » . ζ e --i c h η e t ρ - daß die Koppelschlitae zwischen beaasKbar·« ten Hohlraumresonatoren der Leitung auf einen Schlitz;·=^ as©« nanzmodus abgestimmt werden» der im wesentlichen hei der Frequenz der ober-en Bandkante des HohlraumDiodusdifö'chläßb&n» des der Verzögerungsleitung liegt e um die niederfrequente Kante des Durchlsßbandes des Schlitzmodus mit der quenten Durchlaßbandkante des Hohlraummodus zu. ko so daß die Breite des Durchlaßbandes der zusammengesetzten Verzögerungsleitung erheblich vergrößert wird und das Sperr» frequenzband zwischen dem Hohlraum« und Sehlitz~F- »rtpflaa~ zuagsmodi beseitigt2 ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenaze lehnet sda3 die Soppelsehlitze in gegenüberliegend 3 Indwäade- ^edes der gekoppelten Hohlräume derart gelegt werdsnp daS sie auf einer Seite des Strahlwages liegen und im wesentlichen in eine Ebene fallen, die durch die Achse dc.-j Strahls und die geometrischen Mittelpunkte der KoppelseMitee de«» finiert £sto3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekeß&z« i ebne t , daß die loppalsehlitze im wesentlichen in eijaer geraden Linie liegen«.20981 1/1111BAD ORIGINAL·( 4.JMlkrowellenröhre zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3» mit einer Strahlerzeugungseinrichtung, einer Verzögerungsleitung aus einer Reihe von Hohlraumresonator en, die längs des Strahlweges angeordnet sind und mit . einer Reihe von Schwingungsenergie-Koppelschlitzen gekoppelt sind» die in den gemeinsamen Endwänden von Hohlraumresonatoren angeordnet sind, so daß eine Verzögerungsleitung mit einem Hohlraumraodus-Durchlaßfrequenzband und einem Schlitzmodus» Durchlaßfrequenzband gebildet wird, dadurch s gekennzeichnet, daß die Schlitze relativ zu den Dimensionen der Hohlraumresonatoren so dimensioniert sind, daß ihre Resonanzfrequenz im wesentlichen bei der oberen Bandkantenfrequenz des Hohlraummodus liegt, um die hochfrequente Bandkante des Hohlraummodus mit der niederfrequenten Baadkante des Schlitzmodus zu koalisieren, um die Breite des Durchlaßbandes für die zusammengesetzte Verzögerungsleitung zu vergrößern»5· Röhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Mittelpunkte der Koppelschlitze in gegenüberliegenden Endwänden jedes der Hohlräume jeweils auf.einer Seite des Strahlweges liegen und im wesentlichen in einer Ebene liegen, die durch die Achse des Strahlweges und die Mittelpunkte der Koppelschlitze definiert ist.6. Röhre nach Anspruch 4 oder 59 dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen eine Rückwärtswellenleitung für die fundamentale Raumharmonische ist.209811/1111Leerseite
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