DE3011480A1

DE3011480A1 - Verzoegerungsleitung fuer wanderfeldroehren

Info

Publication number: DE3011480A1
Application number: DE19803011480
Authority: DE
Inventors: Arthur Karp
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: CA1135860A; GB2045520A; GB2045520B; FR2452779A1; DE3011480C2; JPH0215980B2; FR2452779B1; JPS55130043A; US4237402A

Description

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Kammpaares und sind ihnen gegenüber in axialer Richtung so versetzt, daß die Zähne des einen Kammpaares durch die Lücken zwischen den Zähnen des anderen Kamrapaares ragen. Jeder Kamm ist vorzugsweise als einstückiges Bauteil aus Kupfer ausgebildet, um eine höhere Maßgenauigkeit, geringe elektrische Verluste, eine gute mechanische Haltbarkeit und eine hohe thermische Belastbarkeit zu gewährleisten.

Die Erfindung

Die Erfindung betrifft Verzögerungsleitungen zur Verwendung bei Wanderwellen- bzw. Wanderfeldröhren, insbesondere für sehr hohe Frequenzen, z.B. Millimeterwellen.

Es sind bereits verschiedene grundsätzliche Bauarten von Verzögerungsleitungen zur Verwendung bei Wanderfeldröhren bekannt. Bei niedrigen Leistungswerten und relativ niedrigen Frequenzen wird in großem Umfang von einer leitfähigen Wendel und zahlreichen Abwandlungen dieser Konstruktion Gebrauch gemacht. Bei höheren Leistungswerten ist die Verwendung von Leitungen mit gekoppelten Hohlräumen gebräuchlich. Bei Millimeterwellen werden an die Verzögerungsleitung sehr hohe Anforderungen gestellt. Die Abmessungen der Teile sind so klein, daß ihre Herstellung das Hauptproblem bildet. Auch bezüglich des elektrischen Verlustes und der Wärmeabfuhr ergeben sich erhebliche Probleme. Zu den bekannten brauchbaren Leitungen gehört eine kammähnliche Konstruktion mit einer Reihe von parallelen "Viertelwellenlängen"-Flügelzähnen. Wenn sich der Elektronenstrahl über die Enden der Zähne hinweg bewegt, ergibt sich nur eine ziemlich schlechte Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und der sich in der Leitung fortpflanzenden Welle. Wenn der Elektronenstrahl wie bei einer anderen bekannten Verzögerungsleitung Löcher oder Schlitze nahe den Enden der Flügel durchläuft, ergibt sich zwar eine verbesserte Kopplung, doch ist das Fräsen solcher "Strahltunnel" schwierig und kostspielig. Außerdem

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kann es vorkommen, daß diese asymmetrisch angeordneten und relativ großen Tunnel keine gute effektive Kopplung liefern, was auf Unterschiede bezüglich der Hochfrequenz-Feldstärke von der einen zur anderen Seite zurückzuführen ist.

Die nachteiligen Wirkungen einfacher Kämme lassen sich mit Hilfe einer Konstruktion verringern, die Flügel oder ihre elektrischen Äquivalente aufweist, welche sich von einander gegenüberliegenden Grundebenen aus quer zu dem Elektronenstrahl erstrecken und Öffnungen als Durchlässe für den Elektronenstrahl aufweisen, wobei die Flügel "Halbwellen"-Elemente bilden. Bei beiden Bauarten von Parallelflügelkonstruktionen ergeben sich Einschränkungen bezüglich der erreichbaren Natur der fundamentalen Dispersion (Rückwärtswelle gegenüber Vorwärtswelle) sowie der zugehörigen "KaIt"-Bandbreite.

Durch die Verwendung zweier Sätze von im rechten Winkel ineinandergreifenden Flügeln ist es möglich, die Dispersionscharakteristik radikal zu verändern, eine gute Elektronenstrahl-Wellen-Kopplung zu erreichen und einen größeren Spielraum für die Wahl der Bandbreiten zu gewinnen.

Eine Weiterbildung dieser Konstruktion mit ineinandergreifenden Flügeln ist unter der Bezeichnung "Jungle Gym"-Leitung bekannt. Das elektrische Äquivalent jedes Flügels wird durch zwei parallele leitfähige Stäbe gebildet, die sich quer zu einem hohlen leitfähigen Rohr erstrecken, wobei der Elektronenstrahl zwischen den beiden Stäben jedes Paares hindurchläuft. Die miteinander abwechselnden Paare von Stäben sind jeweils um 90 gegeneinander versetzt. Zur Herstellung solcher Halbwellenflügelkonstruktionen und der "Jungle Gym"-Leitung werden die einzelnen Flügel oder Stäbe durch Hartlöten mit einer sie umschließenden Hülle aus Metall verbunden, die sich auf dem Hochfrequenzerdpotential befindet.

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Als weiteres elektrisches Äquivalent zu den vorstehend geschilderten sei eine Leitung mit gekoppelten Hohlräumen genannt, bei der jede leitende Stirnwand eines Hohlraums zwei parallele Kopplungsschlitze aufweist, wobei diese Schlitze bei den aufeinanderfolgenden Wänden jeweils um gegeneinander versetzt sind. Bei einer Weiterbildung dieser Leitung mit gekoppelten Hohlräumen sind die Schlitze zu kuchenstückförmigen Sektoren der Stirnwand des Hohlraums erweitert, und jeder dazwischen angeordnete "Flügel" wird durch zwei kuchenstückförmige Sektoren gebildet, die sich von den entgegengesetzten Seitenwänden des Hohlraums aus erstrecken, sich jedoch nicht vollständig vereinigen.

Werden solche Konstruktionen bekannter Art mit »ehr hohen Frequenzen, z.B. Millimeterwellen, betrieben, ,ceten vier sehr schwerwiegende Hauptprobleme auf. Erstens ergeben sich in der Praxis unüberwindbare Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung der Teile, beim Zusammenbau durch Hartlöten oder anderweitiges Verbinden oder beim Stapeln und Verbinden der zahlreichen dünnen Einzelbleche. Zweitens entstehen die zahlreichen hartgelöteten oder sonstigen Verbindungsstellen an Punkten hoher Stromstärke, so daß sich in der Leitung hohe elektrische Verluste ergeben; dies gilt insbesondere dann, wenn beim Hartlöten Materialien mit geringer natürlicher Leitfähigkeit verwendet werden; außerdem verschlechtern sich die thermomechanischen Eigenschaften. Drittens besteht die Gefahr, daß Ungleichmäßigkeiten beim Fließen des Hartlots oder bezüglich der Qualität der Verbindungsstellen die elektrischen Parameter in einem solchen Ausmaß stören, daß das Betriebsverhalten der Wanderfeldröhre beeinträchtigt wird. Viertens wirken die unvermeidbaren Ungenauigkeiten bezüglich der axialen Abmessungen der einzelnen Teile oder Schichten, die zu einem Stapel vereinigt werden, kumulativ, so daß sie Fehler bezüglich der Periodizität der Leitung hervorrufen, welche ausreichen, um den für den Betrieb einer Wanderfeldröhre erforderlichen Strahl-Wellen-

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Synchronismus zu beeinträchtigen; dies gilt insbesondere für Millimeter-Wellenlängen, bei denen die Leitung eine Länge von mehreren Dutzend Zellen haben muß, und die Strahlperveanz gering ist. In den beiden letzten Fällen treten die Fehler erst in Erscheinung, nachdem die kostspieligen Montagearbeiten abgeschlossen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wanderfeldröhre zu schaffen, die eine einwandfreie Verstärkung von Hochleistungssignalen bei sehr hohen Frequenzen ermöglicht. Weiter soll eine leicht herstellbare Verzögerungsleitung für Millimeterwellen geschaffen werden. Ferner soll eine mechanisch robuste Verzögerungsleitung mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit geschaffen werden. Fernerhin soll für eine Wanderfeldröhre eine Verzögerungsleitung geschaffen werden, die sich insbesondere unter Berücksichtigung einer genauen regelmäßigen Periodizität leicht und genau montieren läßt.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß die Verzögerungsleitung aus vier Kämmen aufgebaut wird, von denen jeder aus einem Metall mit hoher Leitfähigkeit vorzugsweise einstückig durch eine maschinelle Bearbeitung hergestellt wird. Die Kämme sind in Form zweier zueinander orthogonaler Paare so angeordnet, daß sich die Kämme jedes Paares auf entgegengesetzten Seiten des Elektronenstrahldurchlasses befinden, wobei ihre Zähne auf den Durchlaß gerichtet und ausgefluchtet sind und axiale Abstände von den Zähnen des jeweils anderen Kammpaares haben. Die Zähne können an ihren freien Enden mit Aussparungen versehen sein, damit sie den Strahldurchlaß vollständiger umschließen, und können dann einfach die freien Enden der Zähne des gegenüberliegenden Kammes berühren, oder sie können z. B. durch Hartlöten mit diesen verbunden sein.

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Die Zähne sind spiegelsymmetrisch ausgebildet, so daß über die Verbindungsstellen keine elektrischen Ströme fließen. Die Zähne der Kämme des einen Paares sind unter einem großen Winkel von z.B. 90° zu den Zähnen der Kämme des anderen Paares angeordnet und in axialer Richtung um die Hälfte der Zahnteilung eines Einzelkammes gegen die Zähne des anderen Kammpaares versetzt, so daß sie in Pluchtung mit den Lücken der Zähne der Kämme des anderen Paares stehen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die axiale Dicke der Zähne geringer als die axiale Breite der Lücken zwischen ihnen, und die Zähne der beiden Zahnpaare greifen ineinander.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Schrägansicht einer Verzögerungsleitung bekannter Art mit gekoppelten Hohlräumen;

Fig. 2A und 2B eine Stirnansicht einer Konstruktion bekannter Art mit ineinandergreifenden Flügeln, die der Leitung nach Fig. 1 in einem gewissen Ausmaß elektrisch äquivalent ist, bzw. den Schnitt 2B-2B in Fig. 2A;

Fig. 3A und 3B in einer Stirnansicht bzw. in dem Schnitt 3B-3B in Fig. 3A eine bekannte Verzögerungsleitung der "Jungle Gym^H-Bauart;

Fig. 4 eine auseinandergezogene Schrägansicht einer bekannten Weiterbildung der Leitung nach Fig. 1;

Fig. 5 eine Schrägansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung;

Fig. 6A und 6B im Querschnitt bzw. im Längsschnitt die in einer Umschließung angeordnete Leitung nach Fig. 5;

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Fig. 7A und 7B im Querschnitt bzw. im Längsschnitt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung;

Fig. 8 im Querschnitt eine Weiterbildung der Leitung nach Fig. 6A und 6B;

Fig. 9 eine andere Weiterbildung der Leitung nach Fig. 6A und 6B;

Fig. 10 ein für die Leitung nach Fig. 6A und 6B geltendes Dispersionsdiagramm;

Fig. 11 ein für die Leitung nach Fig. 9 geltendes Dispersionsdiagramm ;

Fig. 12 im Querschnitt eine Weiterbildung der Leitung nach Fig. 9; und

Fig. 13 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung mit sechs Kämmen.

In Fig. 1 ist in einer auseinandergezogenen Schrägansicht eine Verzögerungsleitung bekannter Art mit gekoppelten Hohlräumen dargestellt, die der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung elektrisch nahezu äquivalent ist. Zu jedem Leitungselement gehört ein Resonanzhohlraum 20, der durch einen äußeren Ring 21 gebildet ist, welcher an seinen Enden durch zwei Stirnwände 22 und 23 abgeschlossen ist. Jede Stirnwand weist zwei Kopplungsschlitze 24 bzw. 25 auf, damit Wellenenergie zwischen benachbarten Hohlräumen übertragen werden kann, denen eine Stirnwand gemeinsam ist. Die Kopplungsschlitze 24 der einen Stirnwand 22 des Hohlraums 20 sind orthogonal

den Kopplungsschlitzen 25 der anderen Stirnwand 23, so daß nur eine sehr geringe direkte Kopplung von Schlitz zu Schlitz auftritt. Axiale öffnungen 26 der Stirnwände 22 und 23 bilden Durchlässe für den nicht dargestellten Elektronen-

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strahl der Wanderfeldröhre, der mit dem elektrischen Feld in den Hohlräumen 20 gekoppelt wird. Form und Größe der Schlitze 24 und 25 sind so gewählt, daß benachbarte Hohlräume positiv induktivgekoppelt sind.

Daher weist diese Leitung eine lundamentale Rückwärtswellen-Übertragungscharakteristik auf, wie es in den US-PSen 3 230 413 und 3 233 139 beschrieben ist. Der Elektronenstrahl wird mit der ersten räumlichen Vorwärtswellen-Harmonischen der Leitungsfelder synchronisiert. Um diese Wechselwirkung zu verstärken, sind die Hohlraumfelder in kurzen Spalten konzentriert, die durch ^von den Stirnwänden 22 und 23 vorspringende Driftröhren27 gebildet werden. Eine solche Rückwärtswellenleitung ist insbesondere für Hochfrequenzverstärker geeignet, da die periodische Länge relativ groß ist, so daß die Stirnwände eine relativ große Dicke erhalten können.

Die Leitung nach Fig. 1 ist für Mikrowellen im Bereich der Zentimeterwellen geeignet. Bei Millimeterwellen würde es jedoch sehr schwierig sein, die Bauteile herzustellen, da z.B. Öffnungen und Schlitze mit Abmessungen im Bereich von nur wenigen hundertstel mm geformt werden müssen. Außerdem müssen bei der Montage die Stirnwände 22 und 23 mit den Ringen 21 durch Hartlöten oder auf andere Welse verbunden werden, so daß unerwünschte elektrische Widerstände auftreten. Weiterhin wirken die unvermeidlichen Ungenau!gkeiten bezüglich der axialen Dicke der einzelnen Platten 22, 23 und der Ringe 21 bei der beschriebenen Stapelbauweise kumulativ, so daß die für den Betrieb einer Wanderfeldröhre erforderliche gleichmäßige geregelte Periodizität beeinträchtigt wird. Schließlich können Unterschiede bezüglich der Güte der Verbindungen von einer Verbindung zur nächsten zu Abweichungen elektrischer Parameter führen, die ausreichen, um die Wechselwirkungscharakteristik der Leitung zu beeinträchtigen.

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Fig. 2A ist eine Stirnansicht einer weiteren bekannten Verzögerungsleitung, die elektrisch in einem gewissen Ausmaß der Leitung nach Fig. 1 ähnelt. Fig. 2B zeigt den Schnitt 2B-2B in Fig. 2A. Man kann die Konstruktion so betrachten, als ob die Schlitze 24' und 25« erweitert worden wären, um die Querabschnitte der Stirnwände 22' und 23' so zu verkleinern, daß sie dünne Rippen 28 bilden, bei denen eine zentrale scheibenförmige Verdickung 29 die Elektronenstrahlöffnung 26' umgibt. Diese Leitung ist offensichtlich für Millimeterwellenlängen noch schwerer herzustellen als diejenige nach Fig. 1, und wegen der Schlankheit der leitfähigen Rippen und der Verwendung zahlreicher Schichten, die zu einem Stapel vereinigt und miteinander verbunden werden müssen, ergeben sich sogar noch schlechtere Werte bezüglich der therraomechanisehen Eigenschaften undder elektrischen Verluste.

Fig. 3A und 3B zeigen eine Stirnansicht bzw. einen Axialschnitt einer anderen Weiterbildung der Leitung nach Fig. 2A und 2B, die in der Fachliteratur unter der Bezeichnung "Jungle Gym" bekannt ist. In diesem Fall sind die leitfähigen Rippen 28 durch zwei parallele Stäbe 30 und 31 ersetzt, die sich quer zu einem rohrförmigen Kolben 32 erstrekken. Die Lücken zwischen den Stäben 30 und 31 begrenzen einen quadratischen Elektronenstrahldurchlaß 26". Da der Elektronenstrahl weniger vollständig von den Leitern umschlossen ist, ist die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der Leitung etwas schlechter als bei den vorstehend beschriebenen Leitungen, doch kann ein solcher Vergleich unzulässig sein, da die "Jungle Gym"-Leitung für sehr viel höhere Strahlspannungen bestimmt ist. In jedem Fall ist sie nur für ziemlich große Wellenlängen von z.B. 5 cm oder darüber geeignet. Bei kleineren Wellenlängen ergeben sich wiederum die meisten der anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Schwierigkeiten. Die Empfindlichkeit der dünnen

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Stäbe ist das Haupthindernis bezüglich der Verwendung bei hohen Frequenzen.

Fig. 4 zeigt eine auseinandergezogene Schrägansicht einer weiteren bekannten Verzögerungsleitung, die den bekannten Leitungen nach Fig. 1, 2A und 2B ähnelt. In diesem Fall sind die Kopplungsschlitze 24 und 25 nach Fig. 1 durch kuchenstückförmige Sektoren 33 von Stirnwänden 22" und 23" ersetzt,,und die, leitfähigen Flügel 28 nach Fig. 2 sind zu -Kuchenstuckförmiqen .

/Nasen 28" verbreitert. Bei der Leitung nach Fig. 4 sind die Nasen 28" durch einen Spalt 34 getrennt, d.h. sie sind nicht miteinander verbunden und bilden daher auch keine die Elektronenstrahls ff nung 26 umgebende Scheibe. Wegen der spiegelbildlichen Symmetrie der Konstruktion entstehen an dem Spalt 34 keine Verschiebungsströme, so daß die elektrischen Eigenschaften der Leitung mindestens bei der gewünschten Betriebsweise die gleichen sind, wie es der Fall sein würde, wenn die Nasen 28" an ihren Enden miteinander verbunden wären. Bei Millimeterwellenlängen weist die Leitung nach Fig. 4 sämtliche beschriebenen Nachteile der Leitung nach Fig. 1 auf.

Fig. 5 zeigt eine Schrägansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung, deren topologisch« Ähnlichkeit mit der Schaltung nach Fig. 2A und 2B offensichtlich ist. Jedoch führt die erfindungsgemäße Konstruktion zu einer erheblichen Verbesserung der Leistung und zu einer wesentlichen Vereinfachung der Herstellung. Die Leitung nach Fig. 5 setzt sich aus vier Kämmen 35, 36, 37 und 38 zusammen. Jeder einzelne Kamm wird vorzugsweise durch maschinelle Bearbeitung aus einem zusammenhängenden Stab aus einem Metall von hoher Leitfähigkeit, z.B. reinem Kupfer oder mit Zirkon dotiertem Kupfer, hergestellt. Daher sind bei der Leitung an keinem Punkt hartgelötete oder auf andere Weise hergestellte Verbindungsstellen vorhanden, die einem starken Strom, einem

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starken Wärmefluß oder einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Jeder der vier Kämme bildet eine Anordnung von parallelen Zähnen 39, die jeweils durch Nuten 40 getrennt sind. Das massive Werkstück kann mit den Nuten 40 mit Hilfe verschiedener Verfahren versehen werden, z.B. durch Fräsen, Prägen, chemisches Ätzen, Funkenerosion, Abwälzfräsen, Gießen, Räumen usw. Bei der Ausführungsform nach Fig. haben die Nuten 40 abgerundete Bodenflächen 41, um die Formgebung zu erleichtern, die elektrischen Verluste zu verringern und die thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische Starrheit im Basisbereich der Kämme zu verbessern. Jedoch könnten die Nuten 40 auch anders profiliert sein und z.B. eine rechteckige oder sich verjüngende Form haben.

Die freien Enden 42 der Zähne 39 ragen in einen Elektronenstrahldurchlaß 43 hinein. Gemäß Fig. 5 sind die freien Enden 42 mit halbrunden Aussparungen 44 versehen, damit sie den Elektronenstrahldurchlaß 43 umschließen, um die Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und der Leitung zu verbessern. Wie weiter unten erläutert, bildet dieses Merkmal nicht notwendigerweise einen Teil der Erfindung. Eine wichtige Aufgabe, die durch die Herstellung jedes Kammes aus einem zusammenhängenden Metallstück unter Anwendung eines der vorstehend genannten Verfahren gelöst wird, besteht in der genauen Regelung der bei einer Wanderfeldröhre erforderlichen Periodizität. Die kumulativ wirkenden Fehler, die sich beim Stapeln und Verbinden zahlreicher kleiner Teile in axialer Richtung ergeben, werden vermieden, und die Kämme können bezüglich der Maßhaltigkeit sämtlicher Abmessungen vor der Durchführung kostspieliger Montagearbeiten geprüft werden. Somit ist es möglich, die erforderliche Maßgenauigkeit über die Länge eines einzelnen Kamms wie auch bei einer Gruppe von in Fluchtung miteinander zu montierenden Kämmen zu gewährleisten.

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Die beiden Kämme 35 und 37 sind zu beiden Seiten des Elektronenstrahldurchlasses 43 so aufeinander ausgerichtet, daß ihre Zähne 39 jeweils axial miteinander fluchten und ihre Zahnenden 42 dem Durchlaß 43 benachbart sind. Somit bildet jedes Zahnpaar das elektrische Äquivalent eines Querstabes, z.B. entsprechend dem Stab 22' nach Fig. 2B. Einander benachbarte Zahnspitzen 42 brauchen sich lediglich in der dargestellten Weise zu berühren, da in der Mittelebene kein hochfrequenter Strom auftritt. Alternativ können die Zahnspitzen durch Hartlöten miteinander verbunden werden. Schließlich kann sogar ein Spalt zwischen den Zahnspitzen vorhanden sein, ohne daß die Fortpflanzung des Hauptwellenmodus beeinflußt wird. Das Vorhandensein eines solchen Spaltes führt jedoch zur Einführung der Möglichkeit des Auftretens anderer Schwingungsarten, bei denen an dem Spalt in der Querrichtung eine hochfrequente Spannung auftritt. Gemäß der Erfindung wird angenommen, daß diese Schwingungsarten nicht schädlich sind, da sie nur in eine vernachlässigbare Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl treten würden. Eine Möglichkeit für parasitische Absorptionsvorgänge würde sich nur bei Außerbandfrequenzen ergeben. Ein zwischen den Zahnspitzen vorhandener Spalt bietet den Vorteil, daß sich die einzelnen Zähne thermisch ausdehnen können, ohne sich auszubeulen, und daß man die Herstellung der Aussparungen 44 vereinfachen oder die Aussparungen fortlassen kann.

Gemäß Fig. 5 sind zwei weitere Kämme 36 und 38 auf ähnliche Weise zu beiden Seiten des Durchlasses 43 aufeinander ausgerichtet. Ihre Zähne 45 erstrecken sich unter einem erheblichen Winkel von z.B. 90 zu den Zähnen 39 der Kämme 35 und 37 und sind mit den Zähnen 39 verschachtelt; vorzugsweise sind die Zähne in den Nuten 40 zentriert, so daß längs des Elektronenstrahldurchlasses 43 alle Spalte die gleiche axiale Breite haben.

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Es ist möglich, die bekannte Leitung nach Fig. 1 mit der erfindungsgemäßen Leitung nach Fig. 5 bezüglich der Konstruktion zweier Wanderfeldröhren zu vergleichen, die sich bezüglich der Elektronenstrahlspannung, der Abmessungen des Elektronenstrahldurchlasses, der Betriebsfrequenz, der Bandbreite und der Periode zwischen den aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten entsprechen. Ein solcher Vergleich zeigt, daß die axiale Dicke der Zähne 39 und 45 nach Fig. erheblich größer ist als die Dicke der Stirnwand 22 bei der Konstruktion nach Fig. 1. Somit bietet die Erfindung einen wichtigen thermoraechanischen Vorteil ohne Beeinträchtigung der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und den Wellen. Ein Kennzeichen dieser Wechselwirkung ist ein Hohlraumparameter, der in der Fachliteratur als R/Q bezeichnet wird. Es läßt sich leicht zeigen, daß der R/Q-Wert eines effektiv zwischen benachbarten Paaren von sich kreuzenden Zähnen gebildeten Hohlraumes (z.B. den Zähnen 39 und 45) nach Fig. 5 durchaus mit dem R/Q-Wert eines der Hohlräume 20 der Konstruktion nach Fig. 1 vergleichbar ist.

Fig. 6A und 6B zeigen im Querschnitt bzw. im Längsschnitt die Ausführungsform nach Fig. 5 unter Einschluß eines Kolbens 50 zum Unterstützen der Kämme 35', 36', 37· und 38'. Der Kolben 50 besteht vorzugsweise aus Metall, z.B.· Kupfer, und die vier Kämme sind mit Innenflächen des Kolbens, z.B. durch Hartlöten verbunden. Die hartgelöteten Verbindungen führen im allgemeinen nur sehr wenig hochfrequenten Strom, und sie haben große Flächen,

so daß sie hervorragende thermomechanische Eigenschaften aufweisen. Der Kolben 50 besteht vorzugsweise mindestens zum Teil aus unmagnetischem Material, so daß man ein axiales Magnetfeld einführen kann, um den Elektronenstrahl durch den Durchlaß 43' zu fokussieren.

Der Kolben 50 braucht nicht gemäß Fig. 6A und 6B als vollständiger Hohlzylinder ausgebildet zu sein. Fig. 7A und

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7B zeigen im Querschnitt bzw. in einem Axialschnitt eine weitere Ausführungsform, bei der Kämme 35", 36", 37" und 38" durch vier Kolbenteile 51 unterstützt werdenwelche die Tragkonstruktion und einen vollständigen evakuierbaren Kolben 50" bilden. Bei dieser Ausführungsform sind mit Verlust behaftete Elemente 52, die z.B. aus Siliziumkarbid bestehen, in den Ecken des Kolben 50" angeordnet. Bei der gewünschten Betriebsweise fallen die Hochfrequenzfelder mit zunehmendem Abstand von den Kamrazähnen 39" schnell ab, so daß die mit Verlust behafteten Elemente 52 im wesentlichen keine nutzbare Wellenenergie absorbieren. Jedoch treten bei Außerbandwellen und störenden Fortpflanzungsarten häufig Felder auf, die sich bis in die Ecken des Kolbens erstrecken, so daß man sie mit ^ilfe der mit Verlust behafteten Elemente 52 dämpfen kann, um unerwünschte Schwingungen zu verhindern. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7A und 7B verbreitert sich der Querschnitt der Kämme 35", 36", 37" und 38" mit zunehmender Entfernung von den Zahnspitzen 42". Dies führt in erster Linie zu einer weiteren Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und thermomechanische Beanspruchungen. Außerdem umschließen die Zähne den Elektronenstrahldurchlaß 43" nicht, sondern sie haben ebene Stirnflächen 42", die so voneinander getrennt sind, daß sie einen quadratischen Durchlaß 43" abgrenzen. Daher lassen sich die Zähne zwar leichter herstellen, doch ergibt sich eine geringfügige Verschlechterung der Kopplung zwischen dem Elektronenstrahl und der Leitung.

Fig. 8 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Kolbens 50"', bei der sich die durchlaufenden Basisabschnitte 53 der Kämme 35"', 36"', 37"· und 38"' in seitlicher Richtung als Längsstäbe 54 und 55 erstrecken, die so miteinander verbunden sind, daß sie den Kolben 50"' bilden. Da die Konstruktion nach Fig. 8 eine geringere Zahl

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von Verbindungsstellen aufweist als diejenige nach Fig. 7A und 7B, dürften sich geringere Schwierigkeiten bezüglich der Ausrichtung der Teile und der Schaffung vakuumdichter Verbindungen ergeben.

Fig. 9 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem zusätzlichen elektrischen Merkmal. Die Elemente 51' des Kolbens weisen einspringende Teile 60 auf,die

in Richtung auf die Kammzähne 39 weisen, um eine bestimmte elektrische Wirkung hervorzurufen. Die Teile 60 nach Fig. 9 haben elektrisch die gleiche Wirkung wie bei der bekannten Leitung nach Fig. 1 eine Verringerung des Durchmessers der Hohlräume 20 und eine gleichzeitige Vergrößerung der Länge der Schlitze 24 und 25. Diese Wirkungen lassen sich am besten mit Hilfe der in Fig. 10 und 11 wiedergegebenen Dispersionskurven erläutern. Bei Fig. 10 handelt es sich um das bekannte Omega-Beta-Diagramm einer Rückwärtswellenleitung mit gekoppelten Hohlräumen der in Fig. 1 bis dargestellten Art. Die Phasenverschiebung je Periode ßp ist über der Kreisfrequenz oj aufgetragen, wobei ß die Axialwellenfortpflanzungskonstante und ρ den axialen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wechselwirkungsspalten bezeichnet. Die beiden ausgezogenen Kurven 70 und 71 repräsentieren die Fortpflanzungscharakteristiken zweier getrennter Durchlaßbereiche, die gewöhnlich als Fortpflanzungsnoden bezeichnet werden. Die untere Kurve 70, bei deren Grundkomponente es sich um eine Rückwärtswelle handelt, bei der man gewöhnlich vom "Hohlraum-modus" spricht, wird gewöhnlich bei einer Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlräumen angewendet, da sie einen höheren resultierenden Wert der Wechselwirkungsimpedanz liefert. Die gestrichelte gerade Linie 72 repräsentiert die konstante Geschwindigkeit eines Elektronenstrahls von konstanter Spannung. Dieser ist hinreichend synchron, um wirksam in Wechselwirkung mit der Leitungswelle 70 zu treten, und zwar innerhalb eines Frequenzbereichs von OJ bis cü , , der zwischen der unteren Grenz-

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frequenz uJ- und der oberen Grenzfrequenz c<J„ liegt.

Die obere Kurve 71 repräsentiert den als "Schlitzmodus"

bezeichneten Vorwärtswellen-Fundamentalsehwingungsmodus. Sie liefert eine geringere Wechselwirkungsimpedanz und wird bei den meisten bekannten Verzögerungsleitungen als unerwünschte Begleiterscheinung betrachtet, da sie unter bestimmten Umständen zum Schwingen angeregt werden kann. Außerdem können parasitische Absorptionserscheinungen auftreten, wenn der Bereich oo _c bis ^' die zweite Harmonische irgend-

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einer Frequenz im Bereich uo bis vo einschließt.

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Fig. 11 zeigt die Wirkungen des "Zusammenschiebens" der beiden Schwingungsarten nach Fig. 10. Eine ähnliche Wirkung ist in den US-PSen 3 668 460 und 3 684 913 beschrieben. Hiernach wird die niedrige Grenzfrequenz cü bei des "Schlitzmodus" gemäß der Kurve 71 in Fig. 10 dadurch verringert, daß die Schlitze relativ _zum Hohlraumdurchmesser so bemessen werden, daß diese Grenzfrequenz gleich der oberen Grenzfrequenz OJ₂ des "Hohlraum modus"

gemäß Kurve 70 wird. Der Sperrbereich zwischen den Moden verschwindet, und die Dispersionskennlinie 73 wird zu einer kontinuierlichen Kurve zwischen der unteren Grenzfrequenz to», die einer Phasenverschiebung um Tr Radiant je Hohlraum entspricht, und der oberen Grenzfrequenz cJg bei einer Phasenverschiebung um 3 T Radiant Ein angenäherter Synchronismus mit der Strahlgeschwindigkeit 72' wird über einen erheblich erweiterten Frequenzbereich erzielt.

Die Seile 60 nach Fig. 9 werden in die Räume eingeführt, die elektrisch sowohl den "Hohlräumen" als auch den "Schlitzen" nach Fig. 1 entsprechen. Sie werden so bemessen, daß gleichzeitig eine Anhebung der oberen Grenzfrequenz cJ^ ("Hohlraumresonanz") des Hohlraummodus (Kurve 70 in Fig.10) und eine Verringerung der unteren Grenzfrequenz ^o ₅

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des "Schlitz.modus" . (Kurve 71 in Fig. 10)

um geeignete Beträge erfolgt, so daß diese Frequenzen einander gleich werden und sich ein Koaleszenz-Modus gemäß Kurve 73 in Fig. 11 ergibt.

Fig. 12 zeigt eine alternative Ausführungsform, mit der sich die gleiche Wirkung erzielen läßt wie mit derjenigen nach Fig. 9. Hierbei sind die Teile 60 durch nach innen ragende Flügel 61 aus Metall ersetzt. Alternativ kann man an ihrer Stelle eine Kombination von Eckenteilen aus Metall und einem Dielektrikum verwenden, die zweckentsprechend angeordnet sind.

Fig. 13 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform mit einem Triplett aus sich längs der Achse gegenüberstehenden Kämmen 80, 81, 82, die mit einem ähnlichen Triplett aus Kämmen 83, 84, 85 verschachtelt sind. Zwar werden weiterhin Hohlräume zwischen aufeinanderfolgenden Zahntripletten gebildet, doch sind die IIohlraum/Hohlraum-Kopplungsparameter so verändert, daß sich eine Erweiterung des Ausmaßes der Regelung der Dispersionscharakteristik ergibt. Unter bestimmten Umständen kann auch das thermische Betriebsverhalten verbessert werden. Im Rahmen der Erfindung kann man auch Sätze von noch mehr Kämmen verwenden. Die optimale Anzahl richtet sich nach den Einsatzbedingungen der zu schaffenden Wanderfeldröhre.

Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß man bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, auf die sich die Erfindung nicht beschränkt, die verschiedensten Abänderungen vorsehen kann. Beispielsweise brauchen sich die Kämme nicht über die ganze Länge der Leitung zu erstrecken, sondern sie können an dazwischen liegenden Punkten miteinander verbunden sein. Bei einem Paar von aufeinander ausgerichteten Kämmen können die Zähne eine größere Länge haben als die Zähne der beiden im rechten Winkel damit verschach-

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telten Kämme. Bei einem einstückig ausgebildeten Kamm und bei der Verwendung von Gruppen gleichartiger Kämme kann man die verschiedensten Formen von Kämmen und Zahnprofilen anwenden. Ferner kann man die Zahnteilung oder Zahnlänge über die Länge der Leitung nach Bedarf variieren, um die Wellengeschwindigkeit oder die Anpassungsimpedanz zu ändern oder um die Abfangrate zu regeln.

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Claims

Vl P508 D

Patentansprüche

Verzögerungsleitung für eine Wanderfeldröhre, gekennzeichnet durch einen sich in der Richtung der Wellenfortpflanzung erstreckenden geradlinigen Durchlaß (43, 44), mehrere in zwei Sätzen angeordnete, kammförmige, leitfähige Elemente (35, 36, 37, 38) mit ähnlichen Zahnteilungen sowie eine Einrichtung (50), welche die leitfähigen Elemente bzw. Kämme so unterstützt, daß sich bei jedem Satz von Kämmen die Zähne (39, 45) jedes Kamms von einem Basisabschnitt des Kamms, der sich in der Wellenfortpflanzungsrichtung erstreckt, auf den Durchlaß zu erstrecken, wobei die Spitzen (42) der Zähne nahe dem Durchlaß einander in Richtung auf den Durchlaß gegenüberliegen, wobei die Zähne der Kämme des einen Satzes sich unter erheblichen Winkeln zu den Zähnen der Kämme des anderen Satzes erstrecken und wobei die Zähne der Kämme des einen Satzes längs des Durchlasses in solchen Abständen verteilt sind, daß sie auf die Lücken zwischen den Zähnen der Kämme des anderen Satzes ausgerichtet sind.
2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil mindestens eines der Kämme als zusammenhängendes Bauteil aus Metall ausgebildet ist.
3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei jedem der genannten Sätze um zwei Kämme handelt, deren Zähne sich aus entgegengesetzten Richtungen auf den Durchlaß zu erstrecken.

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4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LUcken zwischen den Zähnen (39, 45) eine axiale Breite haben, die größer ist als die Dicke der Zähne in axialer Richtung.
5. Verzögerungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (39) des ersten Paares von Kämmen mit den Zähnen (45) des zweiten Paares von Kämmen verschachtelt und von letzteren durch axiale Abstände getrennt sind.
6. Verzögerungsleitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Kammzähne derart mit Aussparungen versehen sind, daß sie den Durchlaß (43, 44) mindestens teilweise umschließen.
7. Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kamm als zusammenhängendes Bauteil aus Metall ausgebildet ist.
8. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Unterstützung für die Kämme eine Einrichtung (51) gehört, welche die Rückenabschnitte der Kämme (35", 36", 37", 38") so miteinander verbindet, daß sie eine den Durchlaß (43") umgebenden Kolben (50") bilden.
9. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Spitzen der Zähne der Kämme (35'", 37™ bzw. 36"·, 38"') jedes Satzes jeweils durch einen Abstand getrennt sind.
10. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (42) der Zähne eines ersten Kamms (35) jedes Satzes in Berührung mit damit fluchten-

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den Spitzen von Zähnen eines anderen Kamms (37) des gleichen Satzes stehen.
11. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Zähne der Kämme (35" bis 38") mit zunehmendem Abstand von den Spitzen der Zähne vergrößert, um die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Stabilität zu steigern.
12. Verzögerungsleitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellendämpfungsmaterial (52) in einem Abstand von den Zähnen der Kämme im Kolben (50") angeordnet ist.
13. Verzögerungsleitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß leitfähiges Material (51*; 61) in einem Abstand von den Kammzähnen, jedoch in ihrer Nähe angeordnet ist, um zu bewirken, daß die beiden Hauptfortpflanzungsnoden zusammengeschoben bzw. miteinander vereinigt werden.
14. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Kammzähne ein dielektrisches Material angeordnet ist, um die elektrischen Eigenschaften der Leitung zu regeln.
15. Verzögerungsleitung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material in Kombination mit einem metallischen Material vorhanden ist, um zu bewirken, daß die beiden Hauptschwingungsmoden zusammengeschoben bzw. miteinander vereinigt werden.

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