DE69211001T2 - Gekühlte Wanderfeldröhre mit gekoppelten Resonatoren - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Anwendungsbereich der Erfindung
• Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Langwellenstrukturen für eine Wanderfeldröhre (Traveling Wave Tube - TWT) und insbesondere querverbundene gekoppelte Leiterresonatoren mit periodischer Dauermagnetfokussierung (Periodic Permanent Magnet - PPM) und direkter Flüssigkeitskühlung des Strahltunnels.
Stand der Technik
• Hohlraumgekoppelte TWT-Strukturen werden vorteilhaft und in großem Umfang für Hochleistungs-Breitbandverstärker eingesetzt. In den hohlraumgekoppelten Leiterschaltungen ähneln die aufeinanderfolgenden Kopplungselemente den Sprossen einer Leiter, die über einen Hohlleiter erstreckt ist. Die Abstände zwischen den Sprossen bilden die Hohlräume, und die Kopplungsöffnungen werden von den Abständen der Sprossen begrenzt. Die Bandbreite der Struktur nimmt mit zunehmender Hohlraumkopplung zu. Durch PPM-Fokussierung des Strahls ist es möglich, eine kompakte, leichte Struktur mit den obigen Vorteilen hoher Leistung und guter Bandbreiteneigenschaften zu konzipieren. Solche TWTs kombinieren die PPM- Periodizität mit derjenigen der HF-Schaltung, wobei der magnetische Kreis einen Teil der Hohlraumstrukturen bildet.
• Eine typische Leiterstruktur ist in der US-Patentschrift Nr.4,409,519 beschrieben, die am 11. Oktober 1983 an Arthur Karp erteilt wurde. Diese Patentschrift beschreibt eine Struktur mit breiten Sprossen und Kopplungsöffnungen, die wechselweise auf gegenüberliegenden Seiten der Sprossen versetzt angeordnet sind, so daß jeder Hohlraum mit den jeweils unmittelbar benachbarten Hohlräumen gekoppelt ist. Die versetzte Kopplung vergrößert die nutzbare Bandbreite der Gesamtstruktur. Die breiten Sprossen lassen außerdem eine zweidimensionale Wärmeableitung vom Strahltunnel zu, wodurch die thermischen Eigenschaften der Röhre verbessert werden.
• Eine zweifach versetzte Leiterschaltung ist in der US-Patentschrift Nr. 4,586,009 beschrieben, die am 29. April 1986 an Bertram G. James erteilt wurde, der auch der Erfinder des vorliegenden Patentes ist. Diese Struktur weist zwei Kopplungsöffnungen zwischen jedem Paar von benachbarten Hohlräumen auf. Die relativen Positionen dieser Öffnungen sind für aufeinanderfolgende Hohlraumverbindungen um jeweils 90 Grad um die Strahlachse versetzt. Diese zweifache Kopplung erhöht die Bandbreite des Systems noch weiter.
• Eine andere Art der Zweifachkopplung ist in der GB-A-2,045,520 (US-Patentschrift Nr.4,237,402) beschrieben. Diese Struktur bildet die kombinierte Vierfachschaltung ("comb-quad" circuit) mit zwei wechselweise orthogonalen Leitern mit verschränkten Sprossen. Die Ausrichtung der Komponenten dieser Struktur bereitet konstruktive Probleme. Des weiteren erfolgt die Wärmeableitung vom Strahltunnel im wesentlichen eindimensional entlang der Sprossen oder "Zähne" der Kammstruktur, wodurch die mittlere Leistung, bei der die Röhre arbeiten kann, begrenzt wird.
• Eine weitere Verbesserung der zweifach versetzten Ausführung ist in der US- Patentschrift Nr. 4,866,343 beschrieben, die am 12. September 1989 an Bertram G. James, den Erfinder des vorliegenden Patents, erteilt wurde. Diese Verbesserung wird als "zweifach querverbundene versetzte Leiterschaltung" bezeichnet, bei der jede Platte oder "Wand" zwischen benachbarten Hohlräumen einen breiten transversalen Steg auf jeder Seite aufweist, der die axiale Strahlöffnung umschließt. Die Stege sind senkrecht zu den Kopplungsschlitzen in diesen Wänden, und die Schlitze und Stege in benachbarten Wänden sind gegeneinander um jeweils 90 Grad um die Strahlachse versetzt. Die Querstege erhöhen den Wirkungsgrad und die Bandbreite der Wanderfeldröhre.
• Alle oben angeführten US-Patente sind auf den Erwerber der Rechte der vorliegenden Erfindung übertragen.
• Bei allen oben beschriebenen Wanderfeldröhren wird die mittlere Leistung durch die beim Auftreffen des Elektonenstrahls auf Teile der Hochfrequenzstruktur freigesetzte Wärme begrenzt. Diese Wärme muß durch die Struktur vom Strahl abgeleitet werden, so daß die Struktur gute Wärmeleiteigenschaften haben muß, um die Betriebsleistung der Röhre zu maximieren. Häufig wird für diese Strukturen Kupfer wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit eingesetzt.
• In hohlraumgekoppelten Wanderfeldröhren mit periodischer Dauermagnetfokussierung wird durch das Auftreffen des Elektronenstrahls Wärme in den eisernen Polstücken freigesetzt, die eine niederige Wärmeleitfähigkeit als Kupfer haben. Um den thermisch leitenden Pfad aus dem Elektronenstrahltunnel zu verbessern, kann eine stabförmige Klemmrippe verwendet werden, wie in der Veröffentlichung von Alan Griggs mit dem Titel "A New Coupled-Cavity Circuit for High Mean Power Traveling-Wave Tubes", IEEE Transactions on Electron Devices, Band 38, Nr.8, August 1991, S. 1952 - 1957. Diese Aufklemmrippe besteht im wesentlichen aus einem hochleitfähigen Kupferstab, der von dem eisernen Klemmring um den Stab zur äußeren Kupfereinschlußwandung wegragt, die in Kontakt mit Kühlkanälen steht. Der Verfasser merkt an, daß diese Technik bei Betriebsfrequenzen oberhalb 4 GHz, der Maximalfrequenz, bei der eine direkte Flüssigkeitskühlung des Strahltunnels möglich ist, verwendbar ist. Für Frequenzen oberhalb 4 GHz berichtet der Artikel, daß die Technik des Klemmringkühlstabs die mittlere Leistungsfähigkeit der Röhre abhängig von der Frequenz um einen Faktor von 1,5 bis 3 erhöht.
• Wenn die Frequenz wesentlich höher liegt als etwa 30 GHz, sind die Wände zwischen den Hohlräumen zu dünn, um als magnetische Polstücke zu dienen. Der magnetische Kreis wird dann außerhalb der HF-Struktur geschlossen, und die Wände des Hohlraums werden aus Kupfer gefertigt. In diesem Hochfrequenzbereich wäre die Steigerung der verfügbaren mittleren Leistung durch die Klemmrippe weniger ausgeprägt, aber immer noch sinnvoll.
• Andere Ausführungen wurden verwendet, um die thermische Kapazität von gekoppelten Hohlraumresonatoren mit periodischer Dauermagnetfokussierung zu steigern. Diese Ausführungen enthalten laminierte Platten aus Kupfer und Eisen, welches für die Polstücke dient, und verwenden Wasserkanäle und Wärmerohre durch die Polstücke. Diese Techniken sind zu einem gewissen Grad hilfreich, haben jedoch Grenzen entweder aufgrund mechanischer Beschränkungen, indem dicke Polstücke erforderlich sind, oder daß bei Röhren für sehr hohe Frequenzen die Struktur so klein sein muß, daß eine entsprechende Ausführung nicht praktikabel ist.
Beschreibung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wanderfeldröhre mit gekoppeltem Hohlraumresonator mit periodischer Dauermagnetfokussierung bereitzustellen, die im Vergleich zu herkömmlichen TWTs mit periodischer Dauermagnetfokussierung mit höherer Leistung für alle Frequenzen arbeitet. Eine weitere Aufgabe ist das Bereitstellen der Vorteile der querverbundenen, zweifach versetzten gekoppelten Leiterresonatoren mit periodischer Dauermagnetfokussierung der herkömmlichen Vorrichtungen.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung für eine Wanderfeldröhre mit Dauermagnetfokussierung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche beschreiben spezielle Ausführungsformen der Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine querverbundene (re-entrant), zweifach versetzte gekoppelte Leiterresonatorschaltung für eine Wanderfeldröhre mit periodischer Dauermagnetfokussierung mit direkter Flüssigkeitskühlung bereit. Die versetzten Querstäbe (8), (16), (17), (18) sind hohl und stellen Kanäle für einen Kühlmittelstrom bereit. Diese Stäbe (8), (16), (17), (18) reichen diametral durch den Hohlraum um die Strahllaufrohre (9) und (24), um eine direkte Kühlung bereitzustellen. Die Kanäle der Stäbe (8), (16), (17), (18) stehen durch Öffnungen (20), (21), (22), (23) mit den Kühlmittelkanälen (12), (13), (14), (15) in den Wandungen (1), (2), (3), (4) der Hohlräume in Verbindung, um einen kontinuierlichen Kühlmittelstrom durch alle Stäbe (8), (16), (17), (18) bereitzustellen.
• Diese und andere Aufgaben, Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgenden Zeichnungen in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform besser verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die ersten beiden Hohlräume und einen Teil des dritten Hohlraums einer erfindungsgemäßen Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlraumresonatoren und periodischer Dauermagnetfokussierung;
• Fig. 2 ist eine Endansicht der Wanderfeldröhre der Fig. 1 mit Blickrichtung längs des Strahls;
• Fig. 3 ist eine geschnittene Schrägansicht des ersten Hohlraums der Wanderfeldröhre der Fig. 1 und 2, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinien 3-3 in der Fig. 2 geführt ist;
• Fig. 4 ist eine Schrägansicht einer alternativen Ausführung einer Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlraumresonatoren und periodischer Dauermagnetfokussierung, die die ersten beiden Hohlräume und einen Teil des dritten Hohlraumes zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzuaten Ausführungsformen
• Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen die querverbundene, zweifach versetzte Leiterschaltungsstruktur für die ersten beiden Hohlräume der Wanderfeldröhre mit gekoppelten Hohlraumresonatoren und periodischer Dauermagnetfokussierung. Der Einfachheit halber wurden der Strahlerzeuger, die Sammelelektrode, die Durchlaßöffnungen, Stromversorgungen und andere übliche Komponenten einer Wanderfeldröhre weggelassen. Die Schaltung arbeitet mit zylindrischen Hohlraumabschnitten, die durch zylindrische Wände aus Kupfer 1, 2, 3, 4 gebildet werden, deren Zylinderachsen mit der gemeinsamen Strahlachse zusammenfallen. Die Hohlräume sind durch Endwände getrennt, die magnetische Polstücke 5, 6, 7 bilden, die vorzugsweise aus Eisen oder anderen magnetischen Materialien gefertigt und in gleichen Abständen angeordnet sind, um die Struktur für die periodische Dauermagnetfokussierung zu bilden. Zum Beispiel wird der erste Hohlraumabschnitt durch die zylindrische Wandung 2 und die Zylinderendwandungen 5, 6 gebildet.
• Wie in der Fig. 3 gezeigt, sind Laufzeitrohre 9, 24 entlang der Strahlachse ausgerichtet und durch die Mitten der Polstücke 5, 6 geführt, um Strahlöffnungen für den Durchgang eines Strahls geladener Teilchen durch die Endwände 5, 6 der Hohlräume bereitzustellen. Die HF-Kopplung zwischen den Hohlräumen wird durch Kopplungsschlitze 10, 11, 19 in den Endwand-Polstücken 5 und 6 bereitgestellt. In dem ersten Polstück 5 sind beide Kopplungsschlitze 10 und 11 senkrecht zur Strahllinie und zueinander parallel auf gegenüberliegenden Seiten des Strahls angeordnet. Der Kopplungsschlitz 19 im nächsten Polstück 6 ist quer zur Strahllinie angeordnet. Ein weiterer Kopplungsschlitz in dem Polstück 6, in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist parallel zu dem Schlitz 19 und auf der anderen Seite der Strahlh nie angeordnet. Der Kopplungsschlitz 19 in dem zweiten Polstück 6 ist gegenüber den Kopplungsschlitzen 10, 11 im ersten Polstück 5 um 90º um die Strahlachse gedreht. In entsprechender Weise sind die Kopplungsschlitze in jedem der aufeinanderfolgenden Polstücke um 90º gegenüber den benachbarten Schlitzen gedreht, so daß nur aneinandergrenzende Hohlräume gekoppelt sind. Die Schlitze in abwechselnd aufeinanderfolgenden Wänden sind axial ausgerichtet.
• Kühlkanäle 12, 13, 14, 15 sind in den Zylinderwänden 1, 2, 3, 4 und durch die Polstücke 5, 6, 7 bereitgestellt, wobei diese über die gesamte Länge der Röhre durch alle Hohlraumsektionen parallel zur Strahlachse verlaufen. Diese Kanäle 12, 13, 14, 15 sind azimutal in Intervallen von 90º um die Strahlachse angeordnet. Querstäbe 8, 16 sind an gegenüberliegenden Seiten der Polstück-Hohlraumwand 5 angebracht und erstrecken sich senkrecht zur Strahlachse quer über das Innere des Hohlraums um das Laufzeitrohr 9. In ähnlicher Weise sind Querstäbe 17, 18 an gegenüberliegenden Seiten des angrenzenden Polstücks 6 angebracht und erstrecken sich diametral über den Hohlraum um das Laufzeitrohr 24. Die Querstäbe 8, 16, 17, 18 bestehen aus Kupfer und sind an diametral gegenüberliegenden Positionen an den inneren Zylinderwänden 1, 2, 3, 4 angebracht. Die am ersten Polstück 5 angebrachten Querstäbe 8, 16 durchdringen die jeweiligen Hohlraumwände 1, 2 an den azimutalen Positionen der diametral gegenüberliegenden Kühlmittelkanäle 13 und 15. In gleicher Weise durchdringen die am zweiten Polstück 6 angebrachten Querstäbe 17, 18 die jeweiligen Hohlraumwände 2, 3 an den azimutalen Positionen der diametral gegenüberliegenden Kühlmittelkanäle 12 und 14.
• Die Querstäbe 18, 16, 17, 18 sind hohl, und die Innenseiten der Stäbe 8, 16, 17, 18 stellen Kanäle für einen Kühlmittelstrom bereit. An den Positionen, an denen die Stäbe 8, 16, 17, 18 mit den Hohlraumwänden 1, 2, 3 zusammentreffen, sind Öffnungen in den Wänden 1, 2, 3 bereitgestellt, so daß die Kühlkanäle 12, 13, 14, 15 mit diesen inneren Kanälen in Verbindung stehen, um einen Kühlmittelstrom zu den Stäben 8, 16, 17, 18 zu liefern. Zum Beispiel liegen, wie in der Fig. 3 gezeigt, Öffnungen 20, 23 in der inneren Hohlraumwand 2 an den Stellen, an denen die Enden des Querstabes 17 die Wand 2 durchdringen und ein Überströmen von Kühlmittel zwischen den Kühlmittelkanälen 12 und 14 durch den Stab 17 ermöglichen. In gleicher Weise ermöglichen die Öffnungen 21, 22 in der Hohlraumwand 3 ein Überströmen von Kühlmittel zwischen den Kühlmittelkanälen 12 und 14 durch den Querstab 18. Eine entsprechende Gruppe von Öffnungen ist in den Hohlraumwänden 1, 2 an den Stellen der Querstäbe 8, 16 bereitgestellt, um ein Überströmen von Kühlmittel zwischen den Kühlmittelkanälen 13 und 15 durch die Stäbe 8, 16 zu ermöglichen. Diese Öffnungen sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Entsprechende Öffnungen sind über die gesamte Länge der Röhre bereitgestellt. Der Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle wird durch die üblichen Einrichtungen geliefert und strömt durch sämtliche Querstäbe.
• Die beschriebene Leiterschaltung mit periodischer Dauermagnetfokussierung erlaubt einen Betrieb der Wanderfeldröhre bei deutlich höheren mittleren Leistungswerten als bei den herkömmlichen Vorrichtungen, da das flüssige Kühlmittel direkt zu den Laufzeitrohren 9, 24 geführt wird, welche die Komponenten mit der tendenzmäßig größten Wärmefreisetzung darstellen. Die thermische Kapazität wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der kupfernen Querstäbe 8, 16, 17, 18 selbst weiter erhöht. Diese Neuerung kann bei Schaltungen für den Betrieb bei hohen Frequenzen realisiert werden, da die Kühlelementstrukturen nicht von der Dicke der Polstücke 5, 6 oder einer physikalischen Eigenschaft derselben abhängen. Des weiteren stellt die Schaltung sämtliche Vorteile der herkömmlichen querverbundenen Strukturen sicher, einschließlich der erhöhten gegenseitigen Kapazität zwischen den Leitersprossen, der größeren Bandbreite und der verbesserten Wirkungsgrade.
• Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 4 dargestellt, die eine äußere Schrägansicht der ersten beiden Hohlraumsektionen zeigt. Diese Ausführungsform weist keine Kühl kanäle in den Hohlraumwänden 1, 2, 3, 4 auf, und das Kühlmittel wird den Querstäben durch die Rohre 25, 26, 27, 28 zugeführt, die durch diese Wandungen geführt sind. Die Rohre 26 und 27 liefern Kühlmittel zu den Querstäben 17 und 18, während das Rohr 25 und ein weiteres in der Ansicht der Fig. 4 nicht sichtbares Rohr Kühlmittel zu den Querstäben 8 und 16 liefern. Nicht gezeigt in der Fig. 4 sind die internen Passagen durch die Polstücke 5, 6, 7 durch die Kühlmittel von dem Querstab auf einer Seite eines jeden Polstücks zu dern Querstab auf der anderen Seite überströmen kann. Außerdem wurde in der Figur der Einfachheit halber die externe Verrohrung weggelassen, die für die Verteilung des Kühlmittels zu den verschiedenen Zuführungsrohren 25, 26, 27, 28 erforderlich ist.
• Die obige Darlegung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient für Zwecke der Darstellung und Beschreibung. Sie ist ist nicht erschöpfend und beschränkt die Erfindung nicht auf die exakte Form der Beschreibung, vielmehr ist eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen im Rahmen der obigen Darlegung möglich. Die jeweiligen Ausführungsformen wurden im Sinne einer bestmöglichen Erläuterung der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung ausgewählt und beschrieben, um damit dem Fachmann die bestmögliche Nutzung der Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen einschließlich verschiedener Modifikationen für den jeweils in Betracht gezogenen Zweck zu ermöglichen. Die Erfindung wird ausschließlich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims (9)

1. Schaltung für eine PPM-Wanderfeldröhre, mit:

einem hohlen umschlossenen Kanal, der sich entlang einer zentralen Achse der Röhre erstreckt und aus einer Reihe von Abschnitten besteht, von denen jeder ein leitfähiges Teilstück des Kanals ist;

einer Anordnung von Wandelementen quer zu dem Kanal, die zwischen aneinandergrenzenden Abschnitten des Kanals angeordnet sind und diese verbinden und sich quer über den Kanal erstrecken, um in jedem der Abschnitte einen Hohlraum zu bilden, wobei die Wandelemente Strahlöffnungen haben, die entlang der Achse ausgerichtet sind, zum Durchgang eines Strahls geladener Teilchen;

wobei eine erste Gruppe der Wandelemente axial fluchtende erste Kopplungsöffnungen in der Nähe einer ersten Seite des Kanals aufweist, und axial errichtete Stäbe, die sich quer zur Ausrichtung der Kopplungsöffnungen um die Achse herum über entsprechende Oberflächen der Wandelemente erstrecken und die Strahlöffnungen umschließen;

wobei eine zweite Gruppe von Wandelementen, die entlang der Achse wechselweise zur ersten Gruppe angeordnet ist, Kopplungsöffnungen bzw. Stäbe aufweist, die quer zu denen der ersten Gruppe ausgerichtet sind, wobei die Stäbe axial errichtet sind und sich quer zur Ausrichtung der Kopplungsöffnungen um die Achse herum über entsprechende Oberflächen der Wandelemente erstrecken und die Strahlöffnungen umschließen;

wobei jeder dieser Stäbe im Inneren hohl ist und so ein Kanal über die Länge des Stabes gebildet wird, um Kühlmittel durch den Stab strömen zu lassen; und mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung zum Bereitstellen eines Kühlmittelstroms durch jeden der Stäbe.

2. Schaltung nach Anspruch 1, die des weiteren in jedem der Wandelemente eine zweite Kopplungsöffnung gegenüber der ersten Kopplungsöffnung auf der anderen Seite der Achse aufweist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, die des weiteren an jedem der Wandelemente einen zweiten Stab parallel zu dem ersten Stab auf der anderen Seite des Wandelements aufweist.

4. Schaltung nach Anspruch 2, die des weiteren an jedem der Wandelemente einen zweiten Stab parallel zu dem ersten Stab auf der anderen Seite des Wandelements aufweist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, in der jeder Abschnitt des hohlen umschlossenen Kanals eine Vielzahl von Kühl kanälen aufweist, die sich parallel zur Mittelachse und in Längsrichtung durch die Wände des Abschnitts erstrecken, wobei die Kühl kanäle in jedem Abschnitt mit den Kühl kanälen der benachbarten Abschnitte fluchtend angeordnet sind; und in der

jedes der Wandelemente eine Vielzahl von Kühlmittelöffnungen durch das Wandelement aufweist, wobei jede der Kühlmittelöffnungen einem Kühlkanal in jedem der Abschnitte entspricht, die dem Wandelement benachbart und mit diesem fluchtend ausgerichtet sind, wodurch

die Kühlkanäle und die Kühlmittelöffnungen eine Vielzahl von Kühlmittelverteilungskanälen bilden, die sich über die Länge des hohlen umschlossenen Kanals erstrekken;

wobei jeder dieser Abschnitte des weiteren eine Vielzahl von Wandöffnungen aufweist, von denen jede am Ende eines der Stäbe angeordnet ist und den Kanal in dem Stab mit einem der Kühlkanäle verbindet, so daß Kühlmittel zwischen dem Kühlkanal und dem Kanal in dem Stab strömen kann; und

in der die Kühlmittelversorgungseinrichtung eine Einrichtung zum Bereitstellen von Kühlmittel zu den Kühlmittelverteilungskanälen aufweist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, die des weiteren eine Vielzahl von Kanälen aufweist, die aus dem hohlen umschlossenen Kanal herausführen, wobei jeder aus dieser Vielzahl von Kanälen mit dem Kanal im Inneren eines der Stäbe in Verbindung steht, und bei der die Kühlmittelversorgungseinrichtung eine Einrichtung zum Bereitstellen von Kühlmittel zu der Vielzahl von Kanälen aufweist.

7. Schaltung nach Anspruch 1, in der jedes der Wandelemente ein magnetisches Polstück zum Fokussieren des Strahls aus geladenen Teilchen aufweist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, in der die Stäbe aus leitendem Material bestehen.

9. Schaltung nach Anspruch 1, in der die Stäbe aus leitendem Material bestehen.