Hochfrequenzröhre

Abstract

 Zur Verringerung der Kollektorverlustleistung und Erhöhung des Wirkungsgrades einer Hochfrequenzröhre wird vorgeschlagen, zwischen HF-Wechselwirkungsstrecke (4) und Kollektor (2) einen HF-Leitungsabschnitt (7) zur Homogenisierung der Geschwindigkeiten der Strahlelektronen (3) einzufügen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Hochfrequenzrohren dieser Art sind z.B. zur Verstärkung von Hochfrequenzwellen z.B. als Wanderfeldröhren, Klystrons und dergleichen bekannt. Der Strahlwirkungsgrad liegt bei solchen Röhren im allgemeinen zwischen 5 % und 50 %. Die im Elektronenstrahl verbleibende Leistung verteilt sich auf Strahlelektronen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Phasenlage relativ zur Hochfrequenzwelle. Die Strahlelektronen werden nach Verlassen der zur Verstärkung genutzten Wechselwirkungsstrecke in einem Elektronenauffänger aufgefangen. In einem solchen, im allgemeinen mehrere auf unterschiedlichen Potentialen liegende Kollektorelektroden aufweisenden Elektronenauffänger (Kollektor) werden abgestufte Bremsfelder erzeugt, durch die die Elektronen entsprechend ihrer Geschwindigkeit abgebremst werden und damit ein Teil der verbleibenden Strahlleistung zurückgenommen wird. Darüberhinaus tritt in dem Kollektor Verlustleistung in Form von Wärme auf, die auch den Gesamtwirkungsgrad der Röhre wesentlich bestimmt. Eine Verringerung der Verlustleistung wird bereits durch die erwähnte, mit mehreren Elektroden versehenen mehrstufigen Kollektoren erreicht. Theoretisch könnte die Kollektorverlustleistung durch eine immer größere Anzahl von auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Kollektorelektroden auf Null reduziert werden, wenn für jedes Strahlelektron eine Elektrode mit einem genau seiner Geschwindigkeit entsprechenden Gegenpotential vorhanden wäre und dieses Elektron dort senkrecht mit der Geschwindigkeit Null landen würde.

[0002] In der Praxis sind dieser Möglichkeit jedoch wegen der zunehmenden Komplexität Grenzen gesetzt, da auch die Verluste auf der Netzgeräteseite mit zunehmender Anzahl von Kollektorelektroden zunehmen. Theoretisch kann auch der Gesamtwirkungsgrad der Röhre durch Erhöhung des Strahlwirkungsgrades verbessert werden. Da sich dabei jedoch auch das Geschwindigkeitsspektrum der Elektronen im Strahl vergrößert, würden die Kollektorverluste Pv bei gegebener Kollektorstufenzahl ansteigen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad wieder beeinträchtigt wird.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer eingangs genannten Hochfrequenzröhre durch Reduzierung der Kollektorverlustleistung den Gesamtwirkungsgrad der Röhre zu erhöhen.

[0004] Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0005] Ein wesentlicher Vorteil der Röhre besteht darin, daß eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades bei Beibehaltung der HF-Eigenschaften wie z.B. Nichtlinearitäten, Strahlwirkungsgrad und Zahl der Kollektorstufen ermöglicht wird.

[0006] Die allgemeine Wirkungsweise der erfindungsgemäß eingestuften zusätzlichen Wechselwirkungsstrecke, die auch als "Monochromator" für die Strahlelektronen bezeichnet wird, beruht darauf, daß nachdem der Elektronenstrahl die eigentliche Verstärker-Wechselwirkungsstrecke verlassen hat, die kinetische Energie dessen schnelleren Elektronen in HF-Energie umgewandelt wird und dann diese HF-Energie dazu verwendet wird, die langsameren Elektronen, jeweils bezogen auf die mittlere Elektronengeschwindigkeit, zu beschleunigen. Dadurch erreicht man eine weitgehende Annäherung der Geschwindigkeit der einzelnen Elektronen an eine mittlere Geschwindigkeit und damit einen "monochromatischen" Elektronenstrahl, mit einer verringerten Breite des Geschwindigkeitsspektrums. Diese "Monochromatisierung" wird in einer zusätzlich eingefügten Wechselwirkungsstrecke vorgenommen, die ihrerseits aus zwei hintereinanderliegenden Wechselwirkungs-Abschnitten besteht. Anhand des unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erklärt. Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch ein Diagramm, in dem die Energieverteilung n der Elektronen im Strahl über der kinetischen Energie U der Elektronen im Strahl aufgetragen ist und die Kollektorverluste bei einer bekannten Röhre ohne "Monochromator" (Figur 1) und bei einer erfindungsgemäßen Röhre mit "Monochromator" (Figur 2) eingezeichnet sind. Die Figur 3 zeigt schematisch eine Röhre mit einem zwischen Wechselwirkungskreis 4 und Kollektor 2 erfindungsgemäß eingefügten zusätzlichen Wechselwirkungskreis 7 (Monochromator). Die in Figur 3 schematisch dargestellte Wanderfeldröhre weist in an sich bekannter Weise eine Kathode 1 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 3 auf, der einen, z.B. als Wendelleitung ausgebildeten Wechselwirkungsbereich 4 durchläuft und dann in einem Kollektor 2, der z.B. dreistufig ausgebildet ist, aufgefangen wird. An den Eingang E der Wendelleitung 4 wird eine zu verstärkende Hochfrequenzquelle angelegt und am Ausgang A wird die verstärkte HF-Welle abgenommen.

[0007] Gemäß der Erfindung ist nun zwischen der Wechselwirkungsstrecke 4 und dem Kollektor 2 eine zusätzliche Wechselwirkungsstrecke 7 eingefügt, die z.B. ebenfalls in Form einer Wendelleitung ausgebildet sein kann und die zwei hintereinanderliegende Abschnitte 5 und 6 aufweist. Der Abschnitt 5 ist derart bemessen, daß in diesem Wechselwirkungsabschnitt 5 durch die Strahlelektronen, deren Geschwindigkeit größer ist als die mittlere Strahlgeschwindigkeit eine HF-Welle erzeugt wird, die in den Abschnitt 6 hinein weiterwandert. Der Abschnitt 6 ist nun derart bemessen, daß seine HF-Welle mit den Elektronen in Wechselwirkung tritt, deren Geschwindigkeit kleiner ist als die mittlere Strahlgeschwindigkeit. Dadurch wird der HF-Welle die Energie wieder entzogen bei gleichzeitiger Beschleunigung der langsameren Elektronen.

[0008] Als Ergebnis bewirkt dieser aus den Abschnitten 5 und 6 bestehende "Monochromator" 7 eine Homogenisierung der Geschwindigkeit der Elektronen des Elektronenstrahls 3 nach dessen Verlassen des Verstärkungsbereichs 4 und vor dessen Eintreten in den Kollektor 2.

[0009] Gemäß der Kurve der Energieverteilung n der Elektronen im Strahl in Figur 2 sind die Kollektorverluste P_V infolge des steilen Abfalls der Kurve wesentlich geringer als bei einer Röhre ohne "Monochromator", wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Bei einer solchen bekannten Röhre, bei der der in den Kollektor einlaufende Elektronenstrahl wegen Fehlens eines "Monochromators" ein wesentlich breiteres Geschwindigkeitsspektrum der Elektronen aufweist, zeigt die Kurve einen wesentlich flacheren Abfall und damit eine größere Kollektorverlustleistung P_V.

[0010] Durch die Einfügung des beschriebenen "Monochromators" können z.B. Kollektorverluste von 27 % der gesamten aufgenommenen Leistung auf etwa 20 % der gesamten aufgenommenen Leistung gesenkt werden. Dadurch kann z.B. der Gesamtwirkungsgrad einer Satellitenwanderfeldröhre von ca. 60 % auf ca. 66 % erhöht werden.

Ansprüche

1. Hochfrequenzröhre mit einem Elektronenstrahlerzeuger, einer Wechselwirkungsstrecke, in der ein Teil der Elektronenstrahlleistung im Hochfrequenzleistung umgesetzt wird, wobei den Strahlelektronen unterschiedliche Geschwindigkeiten vermittelt werden und einem Elektronenauffänger, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wechselwirkungsstrecke und dem Elektronenauffänger eine zusätzliche Wechselwirkungsstrecke eingefügt ist, die eine weitgehende Homogenisierung der Geschwindigkeiten der Strahlelektronen bewirkt.

2. Hochfrequenzröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zusätzlichen Wechselwirkungsstrecke den Elektronen, die gegenüber der mittleren Geschwindigkeit eine erhöhte Geschwindigkeit besitzen, durch Abbremsen Leistung entzogen und diese Leistung zur Geschwindigkeitserhöhung der Elektronen verwendet wird, die eine gegenüber der mittleren Geschwindigkeit verringerte Geschwindigkeit besitzen.

3. Hochfrequenzröhre nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsaustausch zwischen den schnellen und den langsamen Elektronen in der zusätzlichen Wechselwirkungsstrecke durch Erzeugen und Abbauen von Hochfrequenzfeldern erfolgt.

4. Hochfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wechselwirkungsstrecke zumindest einen ersten Wechselwirkungsabschnitt zur Entnahme von Leistung der schnellen Elektronen und wenigstens einen nachfolgenden Wechselwirkungsabschnitt zur Leistungsabgabe an die langsamen Elektronen aufweist.

5. Hochfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wechselwirkungsstrecke als herkömmliche Verzögerungsleitung z.B. als Wendelleitung und/oder Resonatorleitung und/oder Kammleitung usw. ausgebildet ist.

6. Hochfrequenzröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasengeschwindigkeit der HF-Welle im ersten Teil 5 der zusätzlichen Wechselwirkungsstrecke 7 größer ist als im zweiten Teil 6.

Zeichnung