DE3314311A1

DE3314311A1 - Verzoegerungsleitung fuer wanderfeldroehren

Info

Publication number: DE3314311A1
Application number: DE19833314311
Authority: DE
Inventors: Frank Charles Saratoga Calif. Dinapoli; Lloyd Peter San Jose Calif. Hayes; Bertram Gordon Redwood City Calif. James
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1982-04-23
Filing date: 1983-04-20
Publication date: 1983-10-27
Also published as: JPH0351049B2; GB2119163A; GB8304435D0; JPS58188033A; FR2525812A1; GB2119163B; FR2525812B1; CA1212769A

Description

33U311

Die Erfindung betrifft Wanderfeldröhren für Höchstfrequenzbetrieb, beispielsweise Mi 11imeterweI I en Iängen, mit relativ hoher Ausgangsleistung. Bei diesen Frequenzen werden die Verzögerungsleitungen sehr klein. Bei der Herstellung und Montage von solchen Leitungen können Abmessungstoleranzfehler zu ernsthaften Störungen führen, insbesondere wenn sie sich kumulieren. Außerdem treten bei diesen winzigen Anordnungen Probleme hinsichtlich unzureichender thermischer und elektrischer Leitfähigkeit auf.

Die Erfindung sollte anhand der Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1A einen schematischen Schnitt durch eine bekannte

Verzögerungsleitung mit gekoppelten Hohlräumen; Fig. 1B einen Längsschnitt durch die Leitung nach Fig. 1A; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer verbesserten

bekannten Leitung; Fig. 3 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen

Verzögerungsleitung; Fig. 4 einen Schnitt durch eine Leitung ähnlich der nach

Fig. 3 senkrecht zur Strahlachse; und Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Leitung nach Fig. 4.

Stand der Technik

In Hochleistungs-Wanderfeldröhren wurde allgemein eine Verzögerungsleitung vom Typ "gefalteter Hohlleiter" oder vom Typ "gekoppelte Hohlräume" verwendet. Eine Verzögerungsleitung aus gekoppelten Hohlräumen ist in großem Umfang bei Hochleistungs-Wanderfeldröhren mäßiger Bandbreite verwendet worden. Bei niedrigen Frequenzen, etwa unterhalb von 20 GHz wird üblicherweise eine Leitungskonstruktion verwendet, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Wechselwirkungshohlräume 10 werden von Abstandsrippen 12, beispielsweise aus Kupfer gebildet, die abwechselnd mit Stirnplatten 14, ebenfalls aus Kupfer, gestapelt sind. Die Anordnung wird durch Hartlöten an den Verbindungsstellen 16 mit einer Silber-

Kupfer- oder Gold-Kupfer-Legierung verbunden, um einen vakuumdichten Kolben zu bilden. Jede Platte 14 weist eine „ axiale öffnung 18 zum Durchtritt eines Elektronenstrahls (ni.cht dargestellt) auf, der mit der axialen Kompanente des elektrischen HF-Feldes in den Hohlräumen wechse Lw-i-rkt. '""■Die Öffnung 18 ist oft in axialer Richtung durch vorste-,.···■ hende Lippen 20< -verlängert, die das elektrische Feld auf einen kürzeren Axialspalt 22 einschränken, . so-^:daß die Wechselwirkurigsimpedanz und der StrahIkopplurtgsfaktor des Hohlraums angehoben werden. Benachbarte Hohlräume 10 sind miteinander über einen Kopplungsschlitz 24 in jeder Stirnplatte .1,4-gekoppelt, der in der Nähe der Außenkante «-- des ,Höh t raums 10 angeordnet ist, wo das magnetische HF-Feld am höchsten ist, so daß eine gegenseitige induktive Kopplung gebildet wird. Die Kopplungsschlitze 24 sind abwechselnd auf beiden Seiten der Höh I räume Ί0 versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird die Charakteristik . eines ."gefalteten Hohlleiters" erhalten, die für eine . gr.oße Wechselwi rkungsbandbre i te sorgt. Bei dieser Kopplungsart ist.der FundamentaIschwingungsmodus·der Leitung eine Rückwärtswelle. Die Röhre wird im ersten raumharmonischen Schwingungsmodus bet r ieben,- be'i dem es.· sich um eine VorwärtswetIe handelt, so daß eine nahezu synchrone Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl konstanter Geschwindigkeit über, e.i'n · relativ breites Frequenzband erhalten; werden " ₍ kann». '

Die bekannte Leitung nach Fig.¹ 1 ist- bei niedrigen Frequenzen zufriedenstellend. Wenn sie jedoch-'für Frequenzen wie 20 . - -,.GHζ und höher gebaut wird, entwickeln sich große Schwierig*

keVterv. ,Die vielen Teile sind sehr klein und es ist. teuer . .'sie -genau.ζ y „,bearbeiten. Der axiale Abstand ist kumulativen :-■·■ Feh iern'bei m Auf ei nanderst apeln unterworfen. Wenn die ,;,, ·' Stapelfehler sic.h. im. per iodi sehen -Abstand der "Elemente 1 4 auswi rken, verschlecht ern sie di e Bandpaßcha.räke ri s t i k und Impedanz der Leitung. Wenn s i ch Ausf luchtucigs f eh ler auf

der Achse ergeben, können sie zum Abfangen des Strahls ■führen, mit entsprechenden LeistungsverLusten oder Ausfall de r Roh re .

Auch die getöteten Verbindungen 16 können zwei Arten von Fehlern hervorrufen. Wenn die Lötlegierung nicht vollständig fließt, entsteht ein Sprung, der einen hohen Widerstand für den zirkulierenden Hohlraumstrom darbietet, der den Sprung überqueren muß. Wenn andererseits die Lötlegierung auf der Hohlrauminnenseite herausfließt, erhöht der hohe elektrische Widerstand üblicher Lotlegierungen die Dämpfung der Leitung. Wenn die Legierung eine Kehlnaht in der Ecke bildet, wird das Hohlraumvolumen verringert, so daß die Hohlraumresonanz verstimmt wird und die Leitungsimpedanz und -Bandbreite verschlechtert wird. Wenn also die Verbindungen nicht vollständig vermieden werden können, sollte doch zumindest deren Anzahl und Länge herabgesetzt werden und sie sollten dort angeordnet werden,? wo ein sie überquerender zirkulierender Strom klein ist.

Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Leitung aus gekoppelten Hohlräumen, die für Hochfrequenz™ Wanderfeldröhren geeignet ist und bei der einige der mechanischen Probleme der Leitung nach Fig. 1 vermieden sind. Diese Leitung ist in der US-PS 37 11 943 beschrieben. Die Hohlräume werden dadurch gebildet, daß Metallplatten 30 in Schlitze 32 eingesetzt werden, die in ein metallisches u™ Profil 34 eingefräst sind. Jede Platte 30 weist ein zentrales Loch 36 auf, um den Elektronenstrahl durchzulassen, und einen Kopplungsschlitz 38 zur elektromagnetischen Kopplung zwischen benachbarten Hohlräumen 40. Die Kopplungsschlitze 38 sind alle auf der gleichen Seite der Platten 30 ausgefluchtet, die sogenannte "in-line" Konfiguration. Diese Konfiguration ergibt eine etwas andere Wellenübertragungscharakteristik wie die versetzten Schlitze nach Fig. Die Platten 30 werden mit dem U-Profil 34 verlötet und der Vakuumkolben wird dadurch vervollständigt, daß eine nicht

dargestellte metallische Deckplatte aufgelötet wird.

Die Leitung nach Fig. 2 hat den Vorteil, daß der periodische Abstand der Hohlräume 40 durch die Positionen der „jS.ch I i.tz.e -32 festgelegt ist, die genau bearbeitet werden _>(k^:önnen. Kumulative Fehler durch das Auf ei nanders tape trv-von Teilen wie im Fall der Fig. 1 sind also stark vermindert. Es verbleiben jedoch einige Probleme. Eine große Anzahl von Verbindungen muß vakuumdicht verlötet werden. Auch die Lötlegierung kann Kehlnähte an den Ecken der Hohl-. räume 40 biIden, so daß deren Volumen und Resonanzfrequenzen geändert werden. Lötlegierungen haben auch- hohen elektrischen Widerstand, und damit erzeugen Mikrowellen- · Oberflächenströme unerwünschte LeistungsverLuste.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wände r fe Id-Ve.r zögerungs-.leitung zu schaffen, die für Millimeterwellen geeignet ist und'bessere mechanische Genauigkeit hat. - -"." '- -

Insbesondere soll durch die ErfindungVeine Leistung mit geringen elektrischen Verlusten geschaffen werden.· Außerdem soll die erfindungsgemäße Leitung leicht herzustellen sein. . .-"■■---■

D'iese Ziele werden durch eine Leitung erreicht, die aus wenigstens einem kärhmartigen Element" besteht, das aus einem einzigen Metallstück hergeste 111 ist, das zwischen zwei U-Profil-EIementen sitzt, die dicht verbunden sind, um den Vakuumkolben zu bilden. In-Iine-Kopplung wird durch eine oder, mehrere zusätzliche Nuten in einem der U-Prof i l-E lement e er.hal.ten.";r'■"*'" " ·"·■"-

Beschreibung der bevorzugten Ausführungs form

Gemäß Fig. 3 werden die Hohlräume 50 durch eine periodische Anordnung von öffnungen oder Schlitzen 51 zwischen den komplementären, einander gegenüberliegenden Fahnen 52 von

zwei einstückigen Ka mm eiern en ten 54 gebildet. Die Schlitze 51 werden in den Kamm 54 gefräst und können deshalb sehr genaue Abstände haben, ohne daß kumulative Fehler auftreten, die bei einem Satz aus axial auf einandergestapelten Teilen gemäß Fig. 1 notwendigerweise auftreten. Die Schlitze 51 können rechteckige Grundflächen haben, wie in Fig. 5 dargestellt, oder können etwas effizientere abgerundete Grundflächen haben, wie in Fig. 3 dargestellt. Die beiden Kämme 54 sind in axialer Richtung so ausgefluchtet, daß die Zähne 52 präzise aufeinandertreffen. In jedem Kamm ist eine halbkreisförmige Nut 58 in das Stirnende der Fahne 52 gefräst (vorzugsweise ehe die Hohlraumschlitze bearbeitet werden). Bei der Montage der Kämme wird dann eine Zeile von Löchern 56 in der Mitte der Hohlräume 50 gebildet. Diese Löcher definieren eine Reihe von umschlossenen Durchtritten, die zusammen den Elektronenstrahlweg definieren. Die Kämme 54 bestehen aus sauerstofffreiem Kupfer hoher Leitfähigkeit. Die Schlitze 51 können durch konventionelle spangebende Bearbeitung gebildet werden, oder durch elektrische Funkenerosion. Die Enden der Fahnen 52 werden mit ihren gegenüberliegenden Gegenstücken vor oder während der Endmontage der Leitung verbunden, wie noch beschrieben wird. Die Hohlräume 50 werden symmetrisch mit Bezug auf die Ebene der Spitzen der Fahnen ausgebildet, so daß im Betrieb kein HF-Strom oder Wärmefluß diese Ebene überquert. Ein perfekter Kontakt ist damit nichterforderlich.

Die Hohlräume 50 werden dadurch vervollständigt, daß die Kammstrukturen 54 in zwei Abdeck- oder Umhüllungs-Elemente 60, 62 eingeschlossen werden. Das Element 60 hat einen relativ breiten Kanal 64, der so gefräst ist, daß er der Form der Kämme 54 komplementär ist. Bei der Montage paßt dann das Element 60 eng über die Kämme 54. Das Element weist einen ähnlichen breiten Kanal 64' auf, und zusätzlich eine engere zentrale Nut oder einen Kanal 66, der Abstände zwischen den Kämmen 54 und dem Umhüllungskanal 66 offenläßt.

Die ausgefluchteten Abstände 68 bilden die Kopplungsblenden zwischen den Hohlräumen, die dafür sorgen, daß die Anordnung aus Hohlräumen eine eine Welle führende Verzögerungsleitung mit Bandpaßcharakteristik ist.

Bei der Montage der Leitung werden die Elemente 60, 62 zusammengebracht, so daß sie die Kämme 54 dicht umschließen, und werden miteinander verbunden, beispielsweise durch Löten oder Sintern, um den Vakuumkolben zu bilden. Im gleichen Vorgang werden die Elemente 60,62 durch Sintern oder Löten mit den Kämmen 54 verbunden, um die Endwände der Hohlräume 50 zu bilden. Diese Wände dienen auch dazu, Wärme wirksam von den Kämmen 54 abzuführen. Die Verbindungsebene 70 der U-Profil-EIemente 60, 62 ist vorzugsweise eine Symmetrieebene um die Achse, so daß kein HF-Hohlraumstrom über die Verbindung fließt. Vorzugsweise sind die U-Profile 64 und 64' auch komplementär mit Bezug aufeinander geformt, so daß sie allgemein symmetrisch mit Bezug auf die Ebene der Spitzen der Fahnen 52 sind. Die verschiedenen Verbindungen in der Struktur werden durch Löten gebildet, beispielsweise mit einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung oder einer Gold-Kupfer-Legierung. Statt dessen können die Verbindungs· flächen auch galvanisch mit Gold oder Silber beschichtet werden, um die Legierung genau an den richtigen Stellen zu bilden, wenn die Elemente erwärmt werden. Eine bevorzugte Methode für sehr hohe Frequenzen besteht darin, die Kupferteile unter von außen aufgebrachtem Druck bei einer Temperatur etwas unterhalb des Schmelzpunktes zu sintern. Bei diesem Verfahren ist überhaupt keine Legierung hohen Widerstandes vorhanden. Ein Kompromißverfahren besteht darin, die Kontaktflächen mit Gold zu plattieren und sie bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Gold zu sintern (es gibt kein Eutektikum GoLd-Kupfer). Bei diesem Verfahren kann es keine flüssige Legierung geben, die in unerwünschte Bereiche ausfließen kann.

Viele andere Ausführungsformen sind für den Fachmann ersichtlich. Die beiden Kämme 54 können durch einen ei η stückigen Block oder eine Stange ersetzt werden, wobei vollständige Hohl räumlich?r durchgebohrt sind und das Strahlloch durch den ganzen Block gebohrt ist (Bohren eines langen, geraden Loches ist jedoch schwierig). Die Abdeckelemente 60,62 brauchen nicht notwendigerweise symmetrische Kanäle zu definieren; ein Element könnte ein flacher Block sein (aber die obenbeschriebene symmetrische Anordnung ist besser). Zur stärkeren Kopplung kann auch eine zweite Kopplungsnut ähnlich der Nut in das Abdeckelement 60 gefräst werden. Auch die axiale Kopplungsnut oder die Kopplungsnuten brauchen nicht in den Abdeckelementen definiert zu werden, sie können auch in den Kämmen 54 gebildet sein oder statt dessen in dem einstückigen Hohlraumstab. Eine solche Ausführungs form würde den Vorteil haben, daß beide AbdeckeLemente identische Formen haben können, und würde auch eine bessere Hohlraumkopplung in gewissen AnwendungsfäI I en mit sich bringen, weil der HF-Weg zwischen benachbarten Hohlräumen kürzer wäre. Die beschriebenen Ausführungsfοrmen sind deshalb nur beispielhaft und nicht einschränkend.

Leerseite

Claims

1 .

Patentansprüche

Verzögerungsleitung mit gekoppelten Hohlräumen, gekennzeichnet durch

einen ersten länglichen metallischen Hohlraumstab, der eine Achse definiert, einen ersten Elektronenstrahlweg parallel zu der Achse, und eine erste Anordnung von Hohlraumöffnungen, die sich durch den Stab in einer Richtung senkrecht zur Achse erstrecken, wobei die Hohlraumöffnungen axiale Abstände haben und der Stab zwei glatte, reguläre Oberflächen auf al Ige in ?ίη entgegengesetzten Seiten aufweist und jede der Hohlraumöffnungen öffnungen in diesen Flächen definiert,

zwei metallische Abdeckelemente mit glatten, regulären Flächen, die die glatten Flächen des Stabes abdecken,

::2:-·:./=^:- ; .: 33Η3Ί1

einen ersten gleichförmigen, axiaIverlaufenden Kanal, der mit den Hohlraumöffnungen ausgefluchtet ist und schmaler ist als die Hohlraumöffnungen in wenigstens einem der Abdeckelemente, wobei die Abdeckelemente mit dem Stab verbunden sind, um wenigstens teilweise die Hohlraumöffnungen abzudecken, um geschlossene Hohlräume zu bilden, und um einen Vakuumkolben zu vervollständigen, der die Hohlräume umgibt.

2. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine gesinterte Verbindung ist.

3. Leitung nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch einen zweiten Hohlraumstab, der das Spiegelbild des ersten Höh Iraumstabes ist und einen komplementären zweiten Elektronenstrahlweg und eine komplementäre zweite Anordnung von Hohlraumöffnungen definiert, wobei die Höh Iraumöffnungen und die Strahlkanäle Nuten in den Hohlraumstäben sind, daß die Stäbe auf der Spiegelebene derart ausgefluchtet sind, daß die Nuten fluchten, um Hohlräume zu bilden, und daß die ElektronenstrahIkanäle fluchten, um einen Elektronenstrahlweg zu bilden, der auf die Achse zentriert ist, wobei die Abdeckelemente beide Stäbe abdecken und der erste Kanal nur Teile der Hohlräume beider Anordnungen überdeckt.

4. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Abdeckelemente ein U-Profil komplementär zur Form des Stabes definiert, derart, daß es dicht um den Hohlraumstab paßt und mit dem anderen der Abdeckelemente verbunden ist.

5. Leitung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab eine Symmetrieebene aufweist, die die Achse enthält und senkrecht zu den glatten Flächen liegt, und daß die beiden Hohlraum-

stäbe jeweils komplementäre erste und 2weite Anordnungen von Fahnen definieren, wobei die Hohlraumöffnungen durch die Fahnenanordnungen definiert werden und die Fahnen der ersten Anordnung auf der Symmetrieebene mit den Fahnen der zweiten Anordnung verbunden sind.

6. Leitung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abdeckelemente U-Profile definieren, die komplementär zur Form des Stabes sind, so daß sie dicht um den Stab passen, und daß beide Formen allgemein symmetrisch zu der Symmetrieebene sind.

7. Leitung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumstäbe eine zweite Symmetrieebene haben, die die Achse enthält· und paralleL zu den glatten Oberflächen ist, und daß die beiden Abdeckelemente jeweils komplementäre erste und zweite glatte, flache zusammenpassende Stirnflächen defiηieren,.die so positioniert sind, daß sie auf der zweiten Symmetrieebene verbunden sind.

8. Verzögerungsleitung mit gekoppelten Hohlräumen, gekennzeichnet durch

einen ersten länglichen, metallischen Hohlraumstab, der eine Achse definiert, einen ersten EIektronenstrahIkanaI parallel zu dieser Achse und eine erste Anordnung von Hohlraumöffnungen, die sich durch den Stab in einer Richtung senkrecht zu der Achse erstrecken, wobei die Hohlraumöffnungen axiale Abstände haben, der Stab zwei glatte, reguläre Oberflächen auf allgemein entgegengesetzten Seiten aufweist und jede der Hohlraumöffnungen öffnungen in diesen Flächen definiert, einen gleichförmigen, axialen ersten Kanal, der in einer der glatten Flächen des Stabes definiert ist, mit den Höh I raumöffnungen ausgef I uchtet ist und schmaler ist als die Hohlraumöffnungen,

und zwei metallische Abdeckelemente mit glatten, regelmäßigen Oberflächen, die die glatten Flächen des Stabes

J*U- .^:---^: 33U311

abdec ken, wobei die AbdeckeLemente mit dem Stab verbunden sind, so daß wenigstens teilweise die HohLraumöffnungen abgedeckt werden, um Hohlräume zu biLden und einen Vakuumkolben zu vervoLLständigen, der die Hohlräume umgibt.