DE4124067A1 - Verstaerker-anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärker-Anordnung und insbe­ sondere eine Anordnung, bei der eine Verstärkung eines ange­ legten Hochfrequenzsignals durch Modulieren eines Elektronen­ strahls erreicht wird.

Klystrons bilden eine Klasse von Verstärkern, bei denen ein zu verstärkendes Signal in einen Eingangs-Resonanzhohlraum eingekoppelt wird und ein elektrisches Feld erzeugt, das auf Elektronen des Strahls zur Modifizierung ihrer Geschwindig­ keit einwirkt. Einige Elektronen werden beschleunigt, wäh­ rend andere verzögert werden, so daß eine Bündelung (d. h. eine Modulierung der Dichte des Strahls) an einer weiter ab­ wärts gelegenen Stelle der Röhre erzeugt wird. Typischerwei­ se sind mehrere aufeinanderfolgende Resonanzhohlräume vorhan­ den, um das Ausmaß der Bündelung zu erhöhen, und ein End-Re­ sonanzhohlraum, bei dem das verstärkte Signal abgezogen wird.

Eine andere Art von Verstärker-Anordnungen, als Klystron- Tetroden bekannt, verwendet auch eine Modulation eines Elek­ tronenstrahls, um eine Verstärkung eines angelegten Signals zu erzielen. In diesem Fall wird dadurch ein dichtemodulier­ ter Strahl erzeugt, daß ein zu verstärkendes Eingangssignal an ein Modulationsgitter angelegt wird, das sich in der Nähe und vor einer Elektronenstrahl-Katode befindet. Es wird da­ durch eine Elektronenemission abwechselnd verhindert oder zu­ gelassen, so daß eine Elektronenbündelung erzeugt wird. Der gebündelte Strahl wird die Röhre abwärts zu einem End-Reso­ nanzhohlraum hin beschleunigt, und bei diesem wird das ver­ stärkte Signal abgenommen.

Bei Klystrons wie auch bei Klystron-Tetroden ist das Ein­ gangssignal, das eine Bündelung des Elektronenstrahls er­ zeugt, ein Hochfrequenz(HF)-Signal, d. h. ein Signal, das im Bereich von 470 bis 860 MHz schwingt. Für Fernsehzwecke wird das angelegte Trägersignal amplitudenmoduliert und ein mit einer relativ niedrigen Frequenz versehener Farbhilfsträger eingeprägt; diese modulierenden Signale sind als Videosigna­ le bekannt. Der Farbhiflsträger besitzt eine Frequenz in der Größenordnung von 4 MHz, wobei der genaue Wert von der Art des verwendten Fernsehstandards abhängt.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Verstärker-An­ ordnung zu schaffen, die einen besonders hohen Wirkungsgrad besitzt und ein gutes Betriebsverhalten zeigt.

Erfindungsgemäß wird eine Hochfrequenz-Verstärker-Anordnung geschaffen mit einem Mittel, das zur Dichte-Modulation eines Elektronenstrahls mit einem ersten Hochfrequenz-Trägersignal angeordnet ist und mit einem Mittel, das zur Geschwindig­ keits-Modulation des dichtemodulierten Strahls mit einem zweiten Hochfrequenz-Trägersignal mit einer von der des ersten Trägersignals unterschiedlichen Frequenz angeordnet ist zur Erzeugung einer Verstärkung.

Vorzugsweise sind sowohl das erste und wie auch das zweite Hochfrequenz-Trägersignal HF-Signale.

Man könnte annehmen, daß sich kein weiterer Vorteil da­ durch ergibt, daß zwei Hochfrequenz-Trägersignale einander überlagert werden, um sowohl eine Geschwindigkeits- wie auch eine Dichte-Modulation an einem Elektronenstrahl hervorzuru­ fen, statt nur eine Modulationsart zu benutzen. Wenn die Ge­ schwindigkeits-Modulation einem bereits dichtemoduliertem Strahl eingeprägt wird unter Benutzung eines Signals mit der gleichen Frequenz wie der des Dichtemodulationssignals, ist die Geschwindigkeitsänderung aller Elektronen im Strahl im wesentlichen die gleiche. So entsteht keine oder eine nur sehr geringe Relativbewegung der Elektronen im Strahl. Auf jeden Fall kann der allein durch Benutzung von Dichte-Modula­ tion erzielbare Bündelungs-Wirkungsgrad relativ hoch gemacht und nicht leicht dadurch gesteigert werden, daß zusätzliche Geschwindigkeits-Modulation bei der gleichen Frequenz be­ nutzt wird.

Wenn jedoch sichergestellt wird, daß die beiden Modulations­ arten unter Benutzung unterschiedlicher Frequenzen erzeugt werden, kann eine Erhöhung des Bündelungs-Wirkungsgrades er­ zielt werden. Relativ große Anzahlen von Elektronen können jedem Bündel enthalten sein, bei guter Definition zwischen den Bündeln (der Bündel gegeneinander). Vorteilhafterweise hat das erste Trägersignal, das eine Dichte-Modulation er­ zeugt, im wesentlichen die doppelte Frequenz des zweiten Trä­ gersignal, das eine Geschwindigkeits-Modulation erzeugt. Es ist möglich, eine enge Anfangsbündelung der Elektronen unter Benutzung von Dichte-Modulation zu erhalten, und es werden dann relativ wenige Elektronen zwischen den Bündeln erzeugt. Aufeinanderfolgende Bündel kommen an der Stelle in der Anord­ nung, an der die Geschwindigkeits-Modulation aufzuprägen ist, in Phase und in Gegenphase mit dem zweiten Trägersignal an. So werden alle Elektronen in einem Bündel dazu ten­ dieren, verlangsamt zu werden und die in dem nächsten Bündel dazu tendieren, beschleunigt zu werden. Bevorzugt wird die Geschwindigkeits-Modulation so ausgelegt, daß benachbarte durch die Dichte-Modulation erzeugte Elektronenbündel dazu neigen, sich zu einem größeren Bündel zusammen zu schließen. Diese Bündelung kann erreicht werden unter Benutzung nur eines Resonanzhohlraumes, jedoch kann eine Verbesserung des Bündelungs-Wirkungsgrades dadurch erzielt werden, daß weite­ re Resonanzhohlräume vorgesehen werden.

Wenn eine erfindungsgemäße Anordnung bei einem Fernsehsystem benutzt wird, sind Mittel eingeschlossen zum Anlegen von Vi­ deosignalen an den trägermodulierten Elektronenstrahl.

Einige Ausführungsarten für die Erfindung werden nun bei­ spielsweise mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher er­ läutert, in welcher zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verstärker-Anordnung in schematischem Längsschnitt,

Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm, das sich auf den Betrieb der Anordnung aus Fig. 1 bezieht,

Fig. 3 ein weiteres erläuterndes Diagramm, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Verstärker-Anordnung ge­ zeigt mit Mitteln sowohl für Dichte-Modulation wie auch für Geschwindigkeits-Modulation eines Elektronenstrahls, um eine Verstärkung eines angelegten Signals zu erhalten.

Elektronen werden von der Frontfläche einer Katode 1 emit­ tiert und durch eine Elektrode 2 zu einem Strahl 3 fokus­ siert. Der Strahl 3 wird längs der Längsachse der Anordnung übertragen, wobei er durch eine Anode 4 beschleunigt wird und in einen Triftraum 5 eintritt. Eine Anzahl von Resonanz­ hohlräumen, in diesem Fall drei Hohlräume 6, 7 und 8 sind in der Anordnung verteilt und werden über Triftrohrspalte 9, 10 bzw. 11 gekoppelt. Nach Durchlaufen dieses Teils der Anord­ nung werden die Elektronen des Strahls an einem Kollektor 13 aufgenommen.

Der Elektronenstrahl wird in dem Katodenbereich durch Ändern der Potentialdifferenz zwischen der Katode 1 und einem Modu­ lationsgitter 14 mit einer ersten Trägerfrequenz dichtemodu­ liert, die in dieser Anordnung ein HF-Signal ist. Die Emis­ sion von Elektronen wird abwechselnd gesperrt oder zugelas­ sen, so daß Elektronenbündel erzeugt werden. Wenn der dichte­ modulierte Elektronenstrahl den ersten Resonanzhohlraum 6 er­ reicht, wird er durch Anlegen eines zweiten Trägersignals ge­ schwindigkeitsmoduliert, das im wesentlichen die halbe Fre­ quenz des ersten Trägersignals besitzt. Eine zunehmende Ge­ schwindigkeits-Modulation wird an den nachfolgenden Hohlräu­ men 7 und 8 erreicht und das verstärkte Schlußsignal bei 15 abgezogen.

Fig. 2 zeigt die Auswirkung der Geschwindigkeits-Modulation an dem bereits dichtemodulierten Elektronenstrahl. Die dich­ temodulierten Elektronenbündel sind als schraffierte Berei­ che angezeigt, und die Sinuslinie stellt die Anderung des über den ersten Triftröhrenspalt 9 angelegten Potentials dar. Das erste dargestellte Elektronenbündel 16 kommt am ersten Resonanzhohlraum 6 während einer Periode des anliegen­ den zweiten Trägersignals an, in der das erzeugte elektri­ sche Feld einen Abbrems- oder Verzögerungseffekt hat. Demzu­ folge werden die Elektronen des Bündels 16, wie mit dem Pfeil dargestellt, abgebremst. Das nächste Elektronenbündel 17 kommt an dem Spalt 9 während des gleichphasigen Teils des Zyklus an, und die Elektronen werden beschleunigt. So wird eine Relativbewegung der Elektronenbündel 16 und 17 zu einan­ der hervorgerufen. Eine weitere Relativbewegung tritt längs der Röhre auf, und am abschließenden Hohlraum 8 kommen die beiden Bündel 16 und 17 gleichzeitig an. So ermöglicht diese Anordnung das Erreichen eines hohen Wirkungsgrades, da große Zahlen von Elektronen in gut definierten Bündeln enthalten sein können. Die Signalfrequenz am abschließenden Hohlraum 8 ist halb so groß wie die Frequenz des ersten Trägersignals.

Das anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Beispiel stellt eine Ausführungsart der Erfindung dar. In dem Beispiel befin­ det sich das die Dichte-Modulation erzeugende Signal bei der doppelten Frequenz des die Geschwindigkeits-Modulation erzeu­ genden Signals, so daß aufeinanderfolgende Elektronenbündel am ersten Resonanzhohlraum 6 bei jedem Halbzyklus des an dem Hohlraum anliegenden Signals ankommen. Die Elektronenbündel werden so in der Weise geschwindigkeitsmoduliert, daß benach­ barte Elektronenbündel zur Bildung eines einzigen Bündels zu­ sammengebracht werden. Es ist jedoch einzusehen, daß andere Anordnungen denkbar sind, bei denen sich die Frequenz des Dichte-Modulationssignals an dem Gitter und die Frequenz des Geschwindigkeits-Modulationssignals am Eingangshohlraum in einem anderen Verhältnis befinden.

Das wird anhand des erklärenden Schaubilds der Fig. 3 erläu­ tert. Die dichtemodulierten Elektronenbündel werden durch die schraffierten Bereiche angezeigt, und die Sinuslinie stellt die Änderung des Potentials dar, das über dem Trift­ rohrspalt 9 anliegt. Das erste gezeigte Elektronenbündel 18 kommt am ersten Resonanzhohlraum während einer Periode des anliegenden zweiten Trägersignals an, in der das erzeugte elektrische Feld eine Verzögerungswirkung besitzt. Demzufol­ ge werden die Elektronen des Bündels 18, wie durch den Pfeil angezeigt, verzögert. Das nächste Elektronenbündel 19 kommt an dem Spalt 9 zu einem Zeitpunkt an, in dem das über dem Triftrohrspalt 9 liegende Potential sich um 1½ Zyklen geän­ dert hat. Die Elektronen im Bündel 19 werden so beschleu­ nigt, und es wird eine Relativbewegung der Bündel 18 und 19 erzeugt. In diesem Beispiel werden ebenfalls benachbarte Elektronenbündel zur Bildung eines Bündels zusammengebracht. Die Frequenz des an dem Gitter anliegenden Dichte-Modulat­ ionssignals beträgt jedoch 2/3 der Frequenz des an dem Hohl­ raum 6 angelegten geschwindigkeits-modulierenden Signals.

Die Erfindung kann ausgeführt werden unter Benutzung eines dichte-modulierenden Signals und eines geschwindigkeits-modu­ lierenden Signals mit Frequenzen in anderen Verhältnissen.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, die eine Katode 20 und eine Anode 21 enthält, die zur Be­ schleunigung von Elektronen in einem Strahl 22 längs der Längsachse der Anordnung zu einem Kollektor 23 angeordnet sind. Eine Vielzahl von Resonanzhohlräumen 24 bis 28 ist längs des Strahlweges zwischen der Anode 21 und dem Kollek­ tor 23 angeordnet. Wenn der Strahl am ersten Hohlraum 24 an­ kommt, ist er durch kein Trägersignal moduliert.

Ein erstes Hochfrequenz-Trägersignal wird an den ersten Hohl­ raum 24 angelegt und ergibt eine Geschwindigkeits-Modulation des Elektronenstrahls. Wenn der Strahl einen dritten Hohl­ raum 26 erreicht, ist er dichtemoduliert, nachdem er einen Zwischenhohlraum 25 durchlaufen hat, der diesen Vorgang un­ terstützt.

Ein zweites Hochfrequenz-Trägersignal wird am dritten Hohl­ raum 26 an den dichtemodulierten Strahl angelegt, und dieses zweite Trägersignal besitzt sich eine von der ersten Fre­ quenz unterschiedlichen Frequenz. Weitere Geschwindigkeits- Modulation des dichtemodulierten Strahls findet statt, und das verstärkte Signal wird am Abschlußhohlraum 28 ausgekop­ pelt. Ein weiterer Zwischenhohlraum 27 unterstützt den Vor­ gang.

Selbstverständliche können die Zwischenhohlräume bei der An­ ordnung weggelassen werden, oder es können ggf. zusätzliche Zwischenhohlräume enthalten sein.

Claims (8)

1. Hochfrequenz-Verstärkungs-Anordnung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung einer Verstärkung ein Mittel (14, 24) zur Dichte-Modulation eines Elektronenstrahls (3) mit einem ersten Hochfrequenz-Trägersignal vorgesehen ist und ein Mittel (6, 9, 26) zur Geschwindigkeits-Modula­ tion des dichtemodulierten Strahls vorgesehen ist mit einem zweiten Hochfrequenz-Trägersignal mit einer von der des ersten Trägersignals unterschiedlichen Frequenz.

2. Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Trägersignal im wesentlichen die dop­ pelte Frequenz des zweiten Trägersignals besitzt.

3. Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Geschwindigkeits-Modulation so aus­ gelegt ist, daß durch die Dichte-Modulation erzeugte be­ nachbarte Elektronenbündel dazu neigen, zu einem Bündel zusammengeführt zu werden.

4. Verstärker-Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Resonanz­ hohlräumen (6, 7, 8, 26, 27) vorgesehen ist, durch welche hindurchzutreten der dichtemodulierte Strahl angeordnet ist, und an der die Geschwindigkeits-Modulation erfolgt.

5. Verstärker-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Katode (1) zur Er­ zeugung des Elektronenstrahls (3) vorgesehen ist, und daß ein Gitter (14) und Mittel zum Anlegen des ersten Träger­ signals zwischen dem Gitter und der Katode zur Erzeugung des dichtemodulierten Elektronenstrahls vorgesehen sind.

6. Verstärker-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Träger­ signal an jeweilige längs des Strahlweges verteilte Reso­ nanzhohlräume (24, 26) angelegt werden.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Trägersignal HF-Signale (Radiofrequenzsignale) sind.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausgangssignals der Anordnung die Hälfte der Frequenz des ersten Trägersi­ gnals ist.