DE2201626A1 - Einrichtung zur Optimierung der nutzbaren Ausgangsleistung einer Wanderroehre - Google Patents

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TELEDYNE, INC., 1901 Avenue of the Stars, Los Angeles, California

90067, U.S.A.

Einrichtung zur Optimierung der nutzbaren Ausgangsleistung einer Wanderfeldröhre.

Die Erfindung bezieht sich auf Wanderfeldröhren, und insbesondere auf eine Einrichtung zur Optimierung der nutzbaren Ausgangsleistung der Wanderfeldröhre über einen weiten Frequenzbereich.

Wenn eine Wanderfeldröhre von einem Signal bestimmter Frequenz betrieben oder gesteuert wird, weist das Ausgangssignal aus der Wanderfeldröhre Komplemente mit einer Frequenz auf, die von der Steuerfrequenz abweicht. Dies trifft für jeden Verstärker zu,
der nicht vollkommen linear arbeitet. Die üblichsten dieser
fehlerhaften Ausgangssignale, die am Ausgang von Wanderfeldröhren auftreten, sind Vielfache der Steuerfrequenz und werden üblicherweise die Oberwellen des Steuersignales bezeichnet.
Diese Oberwellensignale werden in dem Langsamfeldabschnitt

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der Wanderfeldröhre in Abhängigkeit von der Aufgabe der Steuersignale induziert, und nachdem sie induziert sind, laufen sie den Langsamfeldabschnitt weiter nach abwärts und fahren fort, mit dem Elektronenstrahl zusammenzuwirken und den Energiepegel entsprechend den Eingangssignalen zu vergrößern. Es ist bekannt, daß das am häufigsten auftretende und unangenehmste dieser induzierten Oberwellensignale das zweite Oberwellensignal ist, das eine Frequenz besitzt, die doppelt so groß ist wie die Frequenz der Eingangssignale.

Zusätzlich zu den vorerwähnten induzierten Oberwellensignalen tritt eine weitere Form eines fehlerhaften Signales auf, das manchmal im Ausgangssignal einer Wanderfeldröhre erscheint. Wenn die Wanderfeldröhre von zwei Signalen unterschiedlicher Frequenz gesteuert wird, wie dies häufig der Fall ist, werden Intennodulationsprodukte in der Wanderfeldröhre erzeugt, die das Produkt der Zwischenwirkung zwischen einem der Steuersignale und der induzierten zweiten Oberwelle des anderen der Steuersignale ist. Wenn beispielsweise eine Wanderfeldröhre durch zwei Eingangssignale gesteuert wird, die entsprechende Frequenzen f^ und fp besitzen, haben diese Intermodulationsproduktsignale, die Intermodulatiqnssignale dritter Ordnung genannt werden, eine Frequenz von 2f,-fp und von 2fp-f, .

Der Pegel der Oberwellenkomponenten, die in einer Wanderfeldröhre induziert werden, und damit auch der oben erwähnten Intermodulationsprodukte ist eine Funktion der Konstruktionsparameter der Röhre und auch der Betriebsfrequenz, mit der die Röhre gesteuert wird, sowie des Leistungspegels, bei dem die Röhre gesteuert wird. Wenn die Röhre mit einer sehr schmalen Frequenzbandbreite betrieben werden soll, können diese Parameter so gesteuert werden, daß solche durch die zweite Oberwelle induzierte Signale wirksam verringert werden. Dies bedeutet aber, daß eine der wichtigsten Eigenschaften einer

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Wanderfeldröhre aufgegeben wird. Wanderfeldröhre sind an sich Einrichtungen für große Bandbreiten und werden häufig zur Verstärkung von Signalen über eine große Bandbreite verwendet. Die Bandbreite einer Wanderfeldröhre kann eine Oktave oder mehr betragen. Somit ist es nicht möglich, den Aufbau der Wanderfeldröhre selbst zum Ausfiltern induzierter Signale der zweiten Oberwelle auszulegen, da das Signal zweiter Oberwelle jener Signale im unteren Teil der Betriebsbandbreite der Röhre selbst im oberen Teil der Betriebsbandbreite der Röhre liegt.

Grundsätzlich kann eine maximale Mikrowellenfrequenz-Ausgangsleistung aus einer bestimmten Wanderfeldröhre erhalten werden. Diese maximale Ausgangsleistung ist im wesentlichen eine Funktioi der Spannung, bei der die Einrichtung arbeitet, des Strompegels seines Elektronenstrahles und der Leistungsfähigkeit der Einrichtung. Es ist offensichtlich erwünscht, daß der größtmögliche Teil dieser zur Verfügung stehenden Ausgangsleistung zur Verstärkung der Steuer- oder Eingangssignale verwendet wird. Gleichgültig, in welchem Ausmaß die oben erwähnten fehlerhaften Signale im Ausgangssignal der Wanderfeldröhre vorhanden sind, auch, ob diese fehlerhaften Signale Signale der zweiten Oberwelle oder die Intermodulationsproduktsignale sind, vermindert jede Energie, die in diesen fehlerhaften Signalen enthalten ist, welche als parasitäre Energie bezeichnet werden kann, die zur Verfügung stehende Ausgangsleistung, welche die Wanderfeldröhre bei der Verstärkung der Eingangssignale liefern kann.

Man hat bereits erkannt, daß der Pegel der Komponente der zweiten Oberwelle im Steuersignal einer Wanderfeldröhre die Trennung der Leistungspegel des gewünschten Ausgangssignales oder der grundlegenden Ausgangsleistung von den Komponenten der zweiten Oberwelle und Intermodulationsprodukten beeinflußt. Man hat beobachtet, daß das Ausmaß des Einflusses der Komponente der zweiten Oberwelle eine Funktion des Pegels der Komponente der zweiten Oberwelle im Steuersignal und auf der Phasenlage der

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Komponente der zweiten Oberwelle in bezug auf die Grundfrequenzkomponente des Steuersignales ist. Beispielsweise sind in der US-Patentschrift 3.426.291 verschiedene Anordnungen zur Einstellung der Phasenlage der Komponente der zweiten Oberwelle in einem Steuersignal für eine Wanderfeldröhre zur Verringerung der Oberwelligkeits- und Intermodulationsstorung im Ausgangssignal der Wanderfeldröhre beschrieben. Die in dieser Patentschrift beschriebenen Anordnungen, die ein Beispiel für den Stand der Technik auf diesem Gebiet sind, begrenzen die Arbeitsweise der Wanderfeldrb'hB auf eine schmale Bandbreite. Zur Erzielung der gewünschten Phaseneinstellung werden Filter und Phasenschieber, z.B. Zirkulatoren vorgeschlagen, die am Bandbreitenrand streuen. Die Verwendung derartiger Anordnungen ermöglicht die Optimierung des Systems für eine bestimmte Frequenz, da diese Einrichtungen jedoch eine rasche Änderung der Phasenlage mit sich ändernder Frequenz zeigen, können sie nicht in Systemen verwendet werden, die eine Bandbreite besitzen. die größer ist als einige Prozent. Wenn solche Anordnungen in Systemen mit großer Bandbreite verwendet werden, wird eine Verbesserung über die gesamte Bandbreite nicht erreicht, vielmehr tritt eine Leistungsverminderung über die Bandbreite mit. Ausnahme bei der oben erwähnten optimalen Frequenz ein. Somit haben Beobachtungen des Effektes der Komponenten eier zweiter. Oberwelle im Steuersignal bei bekannten Einrichtungen sich ausschließlich auf Fälle im Labor beschränkt, ui d es ist keine praktisch verwertbare Einrichtung bekannt geworden, die dieses beobachtete Phänomen ir Betriebssystemen ausnutzt.

Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur Optimierung der nutzbaren Ausgangsleistung einer Wanderfeldröhre, die eine maximale Gesamtausgangsleistung besitzt, und die - werr sie von Eingaj gGsi_onalei: gewünschter Frequenz, welche durch die Wanderfeldröhre verstärkt werden sollen, gesteuert werden a»f induzierte Ausgangssignale unterschiedlicher Frequenz in

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Abhängigkeit vom Anleger dieser Eingangs ai^r ale erz· Uo^, v.'cdui-ch die verfügbare Ausgangsleistung bei den gewünschten Frequenzen verringert wird, und die Mittel zur Erzeugung von Signalen mit dieser unterschiedlichen Frequenz und zum Aufgeben der auf diese Weise erzeugten Signale auf die Wanderfeldröhre,

um die Ausgangsleistung bei den gewünschten Frequenzen zu eraufweist,
höhen,/gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines zusammengesetzten Signales, das eine erste Komponente, die die Eingangssignale enthält, welche von der Wanderfeldröhre verstärkt werden, und eine zweite Komponente, die Signale mit der unterschiedlichen Frequenz enthält, besitzt, und eine zweite Einrichtung zum Aufbau der Phasenlage und Größe der ersten Komponente in bezug auf die zweite Komponente, derart, daß dann, wenn das zusammengesetzte Signal der Wanderfeldröhre aufgegeben wird, ein Kompensationssignal durch Verstärkung der zweiten Komponente erzeugt wird, die in der Große gleich und in der Phasenlage um l8o° gegenüber den Ausgangssignalen ur'-.erschiedlicher Frequenz verschoben ist, welche in der Wanderfeldröhre in Abhängigkeit vom Aufgeben der ersten Komponente des zusammengesetzten Signales induziert werden. Scri.it verdtn die fehlerhaften induzierten Signale in wirksamer Weise aus dem Ausgangssignal kompensiert und bei diesen Frequenzen wird keine parasitäre Leistung verloren. Stattdessen wird die gesamte zur Verfügung stehende Ausgangsleistung der Wanderfeldröhre bei der gewünschten Frequenz der Eingangssignale ausgenutzt.

Bei der bevorzugten Ausführurgsform gemäß vorliegender Erfindung werden die oben erwähnten Phaseneinstellungen der beiden Komponenten des zusammengesetzten Signales relativ zueinander in einem disperglerenden Übertragungsleitungsabschnitt erzielt, in welchem die beiden Komponenten unterschiedliche Werte der Phasenverschiebung während der Zeit, während der sie die Übertragungsleitung durchlaufen, erfahren.

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Nach einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung wird eine einfache Möglichkeit der Erzeugung des zusammengesetzten Signales angewendet, bei welcher das Eingangssteuersignal zuerst einer getrennten Steuerwanderfeldröhre aufgegeben wird, d?.e ähnliche charakteristische Eigenschaften wie die End- oder Ausgangswanderfeldröhre besitzt. Somit werden ähnliche unerwünschte Signale, wie das Signal der zweiten Oberwelle oder das Signal der Intermodulationsprodukte in dem Ausgangssignal dieser Steuerwanderfeldröhre erzeugt, die eine feste Phasenbeziehung zu dem Teil des Ausgangssignales der Steuerwanderfeldröhre besitzen, das das verstärkte Eingangssignal darstellt. Das verstärkte Eingangssignal ist somit die oben erwähnte erste Komponente des zusammengesetzten Signales und der induzierte, unerwünschte Signalanteil des Ausgangsägnales der Steuerwanderfeldröhre ist der oben erwähnte zweite Bestandteil des zusammengesetzten Signales.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird das zusammengesetzte Signal im ersten Teil einer einzelnen Wanderfeldröhre azeugt und es sind Einrichtungen vorgesehen, um die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten des zusammengesetzten Signales vor dem zweiten Teil der Wanderfeldröhre zu erzielen, in welchem die oben erwähnte Kompensation auftritt.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von AusfUhrungsbeispielen eiäutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Sehaltdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung,

Pig.IA eine Aufsicht einer Phaseneinstelleinrichtung, wie sie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 2 die Phasenlänge einer nicht dispergierenden Schaltung,

z.B. einer Koaxialleitung oder einer absolut nicht dispergierenden Wanderfeldröhre,

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Pig. 3 eine graphische Darstellung, die die Ausgangsleistung als Punktion der Frequenz für eine Wanderfeldröhre bei Steuerung mit unterschiedlichen Signalen zeigt,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, aus der die Grundleistung in bezug zu der Leistung ohne zweite Oberwelle im Steuersignal als Punktion des Pegels der zweiten Oberwelle hervorgeht ,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, aus der die Grundleistung in bezug auf die erhaltene Leistung ohne zweite Oberwelle im Steuersignal als Punktion des Pegels der zweiten Oberwelle hervorgeht, wobei die Phasenlage auf maximal und minimal eingestellte Grundausgangsleistung eingestellt ist

Fig. 6 eine graphische Darstellung, bei der die Ausgangsleistung als Funktion der Phasenbeziehung zwischen dem Antriebssignal mit Grundfrequenz und mit zweiter Oberwelle dargestellt ist, wobei der Signalpegel ein Parameter ist,

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Phasenabweichung von der Linearität für eine Phaseneinstelleitung gemäß vorliegender Erfindung zeigt,

Fig. 8 ein schematisches Schaltdiagramm, das eine andere Ausführungsform der Erfindung wiedergibt,

Fig. 9 eine schematische Ansicht ähnlich der nach Fig. 1, bei der unterschiedliche Punkte längs der Leitung bezeichnet sind, damit eine Anzeige der Intermodulationsstörung erhalten wird,

Fig. 9A, 9B, 9C und 9D Leistungspektren an unterschiedlichen Stellen längs der Leitung nach Fig. 9,

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Fig. 1OA und 1OB graphische Darstellungen einer Phasenänderung gegenüber der Frequenz über unterschiedliche Teile der Leitung nach Fig. 9,

Fig. HA und HB graphische Darstellungen, die die Ausgangsleistung und die Intermodulations^trennung als Funktion des Antriebspegels zu einer Kette, wie z.B. in Fig. 9> darstellen,

Fig. 12 ein schematisches Schaltdiagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 und 14 graphische Darstellungen von Phasenlänge und Verstärkungsgrad als Funktion der Frequenz,

Fig. 15 und 16 schematische Ansichten von Teilen einer Wanderfeldröhre mit weiteren Merkmalen vorliegender Erfindung, und

Fig. 17 und 18 schematische Diagramme, die weitere Ausführungsformen der Erfindung zeigen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikrowellenschaltung gemäß vorliegender Erfindung zur Vergrößerung der Grundfrequenzkomponente der Ausgangsleistung und zur Verringerung der Oberwellenkompo/niente der Ausgangsleistung einer Wanderfeldröhre 11. Nach vorliegender Erfindung wird zuerst ein Eingangssignal der Frequenz f^, das auf einen höheren Leistungspegel durch eine Wanderfeldröhre 11 verstärkt werden soll, einer Steuerwanderfeldröhre 13 aufgegeben, die allgemein ähnliche Eigenschaften wie die Wanderfeldröhre 11 in bezug auf die Induzierung von unerwünschten Signalkomponenten im Ausgangssignal besitzt. Das Signal der Frequenz fj wird in der Wanderfeldröhre 13 verstärkt und induziert auch ein unerwünschtes

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Signal in der Wanderfeldröhre 13. Zur Erläuterung der Erfindung sei angenommen, daß das unerwünschte Signal, das von der Wanderfeldröhre 11 eliminiert werden soll, das Signal mit der zweiten Oberwelle oder ein Signal mit der Frequenz 2f, ist. Infolgedessen sind dies die Frequenzen, die in diesera Ausführungsbeispiel beschrieben werden.

Somit ist das Ausgangssignal der Wanderfeldröhre 13 ein zusammengesetztes Signal, das eine erste Komponente rait einer Frequenz f^ enthält, welche das verstärkte Eingangssignal darstellt, das der Wanderfeldröhre 13 aufgegeben worden war, und eine zweite Komponente mit einer Frequenz 2f, , (Sie das Signal mit der zweiten Oberwelle darstellt, welches in der Wanderfeldröhre 13 durch das Eingangssignal induziert worden war.

Nimmt man an, daß der Langsamfeldabschnitt der Wanderfeldröhre 13 nicht dispergierend ist, wie dies üblicherweise der Fall ist, sind die beiden Signale mit der Frequenz f-, und 2fi phasenstarr zueinander, wenn sie den Langsamfeidabschnitt entlang wandern und die Wanderfeldröhre verlassen, da für jedes dieser Signale die Langsamfeldanordnung die gleiche Phasengeschwindigkeit besitzt. Somit haben diese beiden Signale eine feste Phasenbeziehung miteinander, wenn sie die Wanderfeldröhre 13 verlassen, und wenn sie sich durch eine herkömmliche oder nicht dispergierende Wellenleiter- oder Übertragungsleitung fortpflanzen.

An dieser Stelle scheint es zweckmäßig, zu erläutertn, was unter dem Ausdruck "dispergierend" in vorliegender Anmeldung verstanden werden soll. Wie in der Mikrowellentechnik üblich, wird ein Element, eine Komponente oder eine Übertragungsleitung als nicht dispergierend bezeichnet, wenn sie Signalen unterschiedlicher Frequenzen· eine gleichförmige Phasengeschwindigkeit erteilt, und wird als dispergierend bezeichnet, wenn die Phasengeschwindigkeit eine Funktion der Frequenz des angelegten Signales ist. Wenn somit zwei Signale unterschiedlicher Frequenz einer nicht dispergierenden Komponente aufgegeben werden, bleibt die fortgesetzte Phasenbeziehung gleichzeitig auftretender Teile der beiden Signalen konstant, wenn

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sie die Komponente durchwandern. Die Dispersion ist somit eine charakteristische Eigenschaft einer wandernden Welle und nicht einer stehenden Welle. Ferner ist die Tatsache, ob die Komponente dispergierend ist oder nicht, nicht eine Funktion der elektri sehen Länge der Komponente. Wenn umgekehrt eine Komponente, z.F. eine Übertragungsleitung, dispergierend ist, ändert die fortgesetzte Phasenbeziehurg zwischen gleichzeitig aufgegebenen Teilen zweier Signale unterschiedlicher Frequenz sich, wenn diese beiden Signale die Komponente oder Übertragungsleitung durchwandern, und die Signale, die der Komponente mit einer Phasenbeziehung relativ zueinander aufgegeben werden, verlassen die Komponente mit einer zweiten Phasenbeziehung relativ zueinander, die eine Funktion der Größe der Dispersion der Komponente oder Übertragungsleitung ist.

Nachstehend wird die Beschreibung der Fig. 1 fortgesetzt. Das zusammengesetzte Signal mit den zwei Komponenten von der Prequen f^ und 2f, wird einer Verlustausgleichs- und Phaseneinstelleinrichtung 12 aufgegeben, in der die relative Phasenlage und Große der beiden Komponenten des zusammengesetzten Signales eingestellt werden, bis die zweite Komponente die optimale Phasen- und Größenbeziehung zur ersten Komponente besitzt. Diese optimale Phasen- und Größenbeziehung besteht dann, wenn die zweite Komponente der Wanderfeldröhre 11 aufgegeben ist und einen Ausgangssignalteil beiträgt, welcher genau in der Größe gleich, jedoch um l8o° phasenverschoben mit dem induzierten Signal der zweiten Oberwelle ist, welches in der Wanderfeldröhre 11 durch Anlegen der ersten Komponente des zusammengesetzten Signales induziert wird. Ist dies der Fall, ist keine parasitäre Leistung bei der Frequenz 2f, im Ausgangssignal der Wanderfeldröhre 11 vorhanden, und der maximale Betrag der Ausgangsleiäung der Wanderfeldröhre 11 steht zur Verstärkung des Eingangssignales der Frequenz f^ zur Verfügung.

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Die Phasenbeziehung 0-, des induzierten Signales der zweiten Oberwelle und Wanderfeldröhre 11 relativ zu dem angelegten Eingangssignal ist eine Punktion der Parameter der Wanderfeldröhre 11. Bei den meisten Wanderfeldröhren sind die Grundkomponente und die Komponente der zweiten Oberwelle in ihrer Phasenbeziehung zueinander phasenstarr. Somit beträgt die Phasenbeziehung 0, bei einer solchen Wanderfeldröhre 0°. In ähnlicher Weise besitzt die Phasenbeziehung der zweiten Komponente des zusammengesetzten Signales, wie es anfangs erzeugt wird, eine zweite Phasenbeziehung 0₂ gegenüber der ersten Komponente dieses zusammengesetzten Signales, die eine Punktion der Parameter der Vorrichtung oder Komponente ist, in welcher das zusammengesetzte Signal erzeugt wird. Wenn es sich um eine ähnliche Steue»wanderfeldrühre 13 handelt, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, beträgt der Wert 0₂ wiederum 0 . Es ist erwünscht, die Phasenlage der ersten Komponente in bezug auf die zweite Komponente des zusammengesetzten Signales in der Phaseneinstelleinriehtung 12 um einen Betrag zu verschieben, der so groß ist, daß die zweite Komponente des zusammengesetzten Signales beim Anlegen an die Wanderfeldröhre 11 l80° phasenverschoben gegenüber dem unerwünschten Signal der zweiten Oberwelle ist, das in der Wanderfeldröhre 11 induziert wird. Wenn die Phasenverschiebung, der die erste und die zweite Komponente des zusammengesetzten Signi.es in der Phasenschiebereinrichtung 12 unterzogen werden, mit 0-, bezeichnet wird, sind diese Phasenverschiebungen zueinander durch die Gleichung 0₂ + 0-, = 0₁ + l8o° gegeben. Falls herkömmliche Wanderfeldröhren für die Steuerwanderfeldröhre IJ und die Ausgangswanderfeldröhre 11 verwendet werden, wie dies oben angegeben ist, sind die Werte von 0, und 0₂ gleich und deshalb beträgt der gewünschte Wert der Phasenverschiebung aus der Phaseneinstelleinriehtung 12 l80°.

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Die grundlegende physikalische Erscheinung, die in einer Wanderfeldröhre auftritt, besteht darin, daß eine elektromagnetische Welle am Langsamfeldabschnitt verstärkt wird, wenn Energie von einem Elektronenstrahl abgenommen wird, der seitlich des Langsamfeldabschnittes verläuft. Die mittlere Geschwindigkeit des Elektronenstrahles wird verringert, wenn er den Langsamfeldabschnitt entlangwandert und Energie an die Welle des Langsamfeldabschnittes abgibt. In der Nähe des Ausgangsteiles des Langsamfeldabschnittes, wenn der Verstärker sich der Sättigung nähert, nimmt die Nichtlinearität der Einrichtung rasch zu. Vorliegende Erfindung arbeitet in der Weise, daß ein kompensierendes unerwünschtes Signal, z.B. ein Signal der zweiten Oberwelle in den Eingang der Wanderfeldröhre injiziert wird, damit eine andere Nichtlinearität auf wirksame Weise erzeugt wird, die teilweise oder vollständig die ausschaltet, die der Verstärker erzeugt. Es sei bemerkt, daß das induzierte Signal der zweiten Oberwellenfrequenz sich längs des Langsamfeldabschnittes mit exponentieller Geschwindigkeit aufbaut die annähernd gleich dem Quadrat des Abstandes längs des Langsamfeldabschnittes ist. Das injizierte Signal der zweiten Oberwelle wird jedoch gemäß vorliegender Erfindung linear längs dieses Langsamfeldabschnittes verstärkt und somit auf langsamere Weise vergrößert. Wenn die Phaseneinstelleinrichtung 12 richtig gewählt ist, ist das Signal am Ausgangspunkt gleich und in der Phasenlage entgegengesetzt dem induzierten Signal, das durch die grundlegende Nichtlinearität der Wanderfeldröhre erzeugt wird. Wenn es somit möglich 1st, die Nutzgröße des Signales der zweiten Oberwellenfrequenz längs des Langsamfeldabschnittes zu messen, würde diese am Eingangsende ein Maximum sein und fortschreitend bis zum Ausgangsende annäherend auf Null absinken, und zwar aufgrund des oben erwähnten Unterschiedes in der Geschwindigkeit, mit der die Signale in der Röhre aufgebaut werden. Das Nutzergebnis dieser Erscheinung ist eine außergewöhnlich hohe.Verringerung oder sogar vollständige Eliminierung von Ausgangssignalen der zweiten Oberwellenfrequenz, sowie auch eine wesentliche Verringerung in der

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Amplituden-Nichtlineariläu oder Kompression und sine stark verringerte Umwandlung von Amplitudenmodulation in Phasenmodulation. Diese Faktoren zusammen ergeben einen wesentlich verringerten Pegel der Intermodulationsstärung.

Die Wirkung der Phaseneinstelleinrichtung 12, die, wie oben erwähnt, das jiispergierende Glied ist, besteht darin, die elektrische Länge der Leitung; zwischen der Steuerwanderfeldröhre 13 und der Leistungswanderfeldröhre 11 ungleich zu machen. Diese Leitung, die die Phase::2i:istellcinr:^:.ohtung 12 einschließt, soll N Wellenlängen bei der Grundsignalfrequenz und 2N + 1/2 Wellenlängen bei der zweiten Oberwellenfrequenz ergeben.

Die Phaseneinstelleinrichtung 12 kann eine stark dispergierende Übertragungsleitung sein, die so aufgebaut ist, daß sie die richtige Größe für die Phasenverschiebung in einer Leitung mit einer Länge von einigen Wellenlängen ergibt. Eine Konstruktion, die optimale Resultate ergibt, ist die einfache Mäanderleitung nach Pig. IA, die in Mikrostrelfenforrn aufgebaut ist. Die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz ist für diese Leitung in Fig. 7 im Vergleich zu einer nicht dispergierenden Leitung mit den gleichen elektrischen Längen am unteren Bandrand gezeigt. Die angegebenen Daten sind für eine Leitung, die eine Dispersion von etwa 1JO° bei 5*5 GHz im Vergleich zu 2,5 GHS: ergibt. Aufgrund der relativ kurzen Länge der Leitung ist eine Einfügungsdämpfung sehr gerinj, und zwar weniger als IdB. Die spezielle Leitung, die so ausgelegt ist, daß sie eine Impedanz von etwa 50 Ohm besitzt, zeigt einen Welligkeitsfaktor kleiner als 2:1 für den interessierenden Frequenzbereich.

Die Mikrostreifenschaltung, die in der in Flg. IA gezeigten AusfUhrungsform verwendet wird, besteht aus einer mäanderförmigen Leitung, die durch Belichten und Ätzen hergestellt wird, derart, daß ein Goldüberzug von etwa 0,005 mm - 0,01 mm Dicke auf einer dünnen Chrom- oder Molybdänoberfläche verbleibt,

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welche auf einer Aluminiumoxydkeramik-unterlage aufgebracht ist. Die Leitung, die beispielsweise eine Breite von 0,625 mm besitzt, hat eine Schenkellänge von Ende zu Ende, wie sie in der folgenden Tabelle angegeben ist, wobei die Streifenlänge zwischen allen Schenkeln mit Ausnahme der Schenkel L_Q und L₁₀ 0,625 mm und die Streifenlänge zwischen den Schenkeln L_Q und L₁₀ 1,875 mm beträgt.

Schenkel Länge (mm)

^Li 13,25

^L2 7,55

L₃ 7,25

L₄ 7,125

L₅ 6,725

L₆ 6,375

L₇ 6,025

L₈ 5,70

L₉ 4,375

L₁₀ 12*0

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung für die Grundwelle und der Ausgangsleistung für die zweite Oberwelle sowie ihre Trennung als eine Funktion der Frequenz für im Sättigungsb/ereich betriebene 220 W Wanderfeldröhren. Aus dieser graphischen Darstellung ergibt sich, daß die Ausgangsleistung für die Grundwelle am unteren Ende des Bandes abnimmt und die Ausgangsleistung für die zweite Oberwelle am unteren Ende des Bandes zunimmt, wenn keine Phaseneinstelleinrichtung gemäß vorliegender Erfindung vorgesehen ist. Wenn das Steuersignal der zweiten Harmonischen z.B. mit einem Tiefpaßfilter ausgefiltert worden 1st, nimmt die Auegangsleistung für die Grundwelle am unteren Ende des Bandes zu, und wenn die Phaseneinstelleinrichtung hinzugefügt worden ist, wird die Ausgangsleistung

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für die Grundwelle am unteren Ende des Bandes vergrößert und die Ausgangsleistung für die zweite Oberwelle am unteren Ende des Bandes verringert.

Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen den Einfluß des Pegels und der Phasenlage der zweiten Oberwelle auf die Ausgangsleistung eines typischen 220 W Verstärkers mit einer Bandbreite von einer Oktave; hieraus ergibt sich, wie wichtig es ist, eine Breitbandeinrichtung zu verwenden. Fig. 4 zeigt die graphische Darstellung einer Ausgangsleistung als Funktion der Fiaquenz für eine solche Wanderfeldröhre, wenn sie mit einem Steuersignal gesteuert wird, das keine Komponente der zweiten Oberwelle besitzt, und wenn sie mit Signalen gesteuert wird, die einen zweiten Oberwellengehalt von 10 dB Untergrundwelle, 5dB Untergrundwelle und gleich der Grundwelle enthalten. Für Jeden der drei unterschiedlichen Steuersignalpegel ist die Phasenlage des Signales der zweiten Oberwelle sowohl auf optimale Ausgangsleistung als auch auf minimale Ausgangsleistung eingestellt worden. Dabei zeigt sich, daß sowohl Pegel als auch Phasenlage des Steuersignales der zweiten Oberwelle einen grundlegenden Einfluß auf die Ausgangsleistung hat. Am unteren Bandende, wenn die zweite Oberwelle 5dB unter dem Steuersignal der Grundwelle liegt, kann eine optimale Phasenlage eine Zunahme von einem halben dB in der Ausgangsleistung ergeben, und eine ungünstige Phasenlage eine Verringerung der Ausgangsleistung um mehr als 1-1/2 dB ergeben. Wird die Phasenlage auf minimale Ausgangsleistung eingestellt, wie dies der Fall sein kann, wenn ein Schmalbandsystem der bekannten Art verwendet wird, kann der resultierende Ausgang unter Verwendung der Leistung der zweiten Oberwelle bei der Steuerung schlechter sein als der Ausgang ohne Verwendung des Steuersignales der zweiten Oberwelle.

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Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Grundleistung relativ zu der, die bei Fehlen einer zweiten Oberwelle im Steuersignal erzielt wird, und zwar als Funktion des Pegels der zweiten Oberwelle für die beiden Begrenzungsfälle. Fig. 6 zeigt die Ausgangsleistung einer Funktion der Phasenlage zwischen dem Antriebssignal für Grundwelle und für die zweite Oberwelle, und zeigt die Bedeutung der richtigen Phaseneinstellung für die Komponente der zweiten Oberwelle.

In nahezu jeder Anordnung, in der die Erfindung geprüft worden ist, hat sich eine Verbesserung in der Ausgangsleistung der Grundwelle ergeben. Die Verbesserung reicht von 0,3 dB bis 1,0 dB.

Die vorbeschriebene Ausführungsform nach der Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf eine Röhre mit einer Bandbreite von einer Oktave. Nach einem Merkmal vorliegender Erfindung kann das Einführen von Steuersignalen der zweiten Oberwelle für eine Röhre mit einer Bandbreite von zwei Oktaven dadurch erzielt werden, daß zwei Steuerröhren verwendet werden. Wie in Fig. 8 gezeigt, werden Signale über eine Bandbreite von 2 Oktaven, z.B. 1-4 GHz in einer Diplexehrichtung 15 in die Signale in der unteren Oktave, z.B. 1-2 GH?, die in einen Steuerverstärker 16 eingeführt werden, und in die Signale in der anderen Oktave, z.B. 2-4 GHz, die in den anderen Steuerverstärker 17 eingeführt werden, geteilt. Die Signale aus dem Verstärker 16 für die untere Oktave, die Signale der Grundwelle und der zweiten Oberwelle enthalten, werden durch eine Phaseneinstelleinrichtung 18 und eine Kopplung 19, an der Ausgangssignale aus dem Verstärker 17 mit der Leitung für den Eingang in den Leistungsverstürker 20 gekoppelt werden, geführt. Die gewünschte Phaseneinstellung des Signales der zweiten Oberwelle in bezug auf die Grundwelle gemäß vorliegender Erfindung wird in der Phaseneinstelleinrichtung 18 zum Aufgeben auf den Verstärker 20 erreicht, in welchem Signale über die beiden Oktaven verstärkt werden.

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Wie oben bereits erwähnt, kann eine Verringerung des Ausganges der zweiten Oberwelle auch die Intermodulationsäörung verringern.

Fig. 9 zeigt eine schematische Schaltung ähnlich der nach Fig. aus der die Arbeitsweise vorliegender Erfindung zur Verringerung der Intermodulationsstörung hervorgeht. Die Fig. 9A und 9B sind graphische Darstellungen, in denen die Leistung gegenüber der Frequenz an ausgewählten Stellen A-D längs der Leitung in Fig. aufgetragen sind. Die Fig. 1OA und 1OB sind graphische Darstellungen, die die Phasenverschiebung gegenüber der Frequenz über Teile A-B und B-C der in Fig. 9 gezeigten Leitung aufzeigen.

Ohne Anwendung vorliegender Erfindung würde ein Wanderwellenröhren-Leistungsverstärker 21 nach Fig. 9 unerwünscht hohe Interraodulationsprodukte dritter Ordnung aus den Eingangssignalen f, und fp erzeugen, die in die Verstärkerkette eingeführt werden. Gemäß vorliegender Erfindung steuern die Eingangssignae f, und fp einen Verstärker 22, der Ausgänge bei den Frequenzen f,, fp, 2f,, 2f₂ und Intermodulationsfrequenzen erzeugt. Dieser Verstärker 22 arbeitet unterhalb des Sättigungsgebietes, und die Intermodulationsfrequenzen liegen bei sehr niedrigen Pegeln. Diese beiden Signale durchlaufen eine Mikrowellenschaltung 2J, die einen höheren Verlust bei der Frequenz f als bei der Frequeni 2f aufweist und eine Dispersion von etwa l80° bei der Frequenz 2f über das Verstärkungsband für Signale f besitzt. Dieses Band der zweiten Oberwelle, das in die Wanderfeldröhre 21 eingeführt wird, hebt genau das auf, das normalerweise von der Röhre 21 erzeugt würde, wobei sich eine Eliminierung oder wesentliche Verringerung der Intermodulationssignale dritter Ordnung ergibt.

Die Figuren HA und HB zeigen graphische Darstellungen der Ausgangsleistung und der Intermodulationstrennung als Funktion der Dämpfung des Steuerpegels für eine Kette, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, und zwar für den ersten Fall (gestrichelt), wenn keine zweite Oberwelle in den zweiten Verstärker 21 eingeführt wird, und für den zweiten Fall (fest ausgezogene Linie), wenn zweite Oberwellen eingeführt werden und die Bedingungen an einer Stelle etwa J dB unterhalb der maximalen Ausgangsleistung

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optimiert werden. Die Kurven, die kein Einführen einer zweiten Oberwelle zeigen, was herkömmlichem Betrieb entspricht, zeigen, daß bei Sättigung die Intermodulationsprodukte dritter Ordnung bei 9 dB unterhalb Sättigung sind, und um Produkte dritter Ordnung 36 dB unterhalb der Grundwelle zu erhalten, wie dies für bestimmte Anwendungsfälle erwünscht sein kann, muß der Verstärker 21 mehr als 10 dB unter Sättigung betrieben werden. Die Arbeitsweise ist grundlegend verschieden, wenn zweite Oberwellen eingeführt werden. Erstens ergibt sich, daß die maximale Ausgangsleistung um einen Paktor von mehr als 2 erhöht wird. Zweites ist die bei optimierten Bedingungen und bei einer Ausgangsleistung, die 3 dB unter der maximalen Leistungsfähigkeit liegt (dies entspricht der maximalen Ausgangsleistung ohne Einführung zweiter Oberwellen), die Intermodulationstrennung 33 dB für Intermodulationsprodukte dritter und aller höheren Ordnungen. Dies stellt eine Zunahme von 9*5 dB in der Ausgangsleistung für den Fall dar, daß es erforderlich ist, daß die Intermodulationsprodukte 33 dB unterhalb der Grundwelle liegen.

Da die X-Achse der graphischen Darstellungen nach den Fig. HA und HB die Dämpfung des Eingangssignales darstellt, sind die höheren Ausgangspegel auf der linken Seite dargestellt und die Ausgangsleistung nimmt nach rechts ab.

Für Verstärker, die nicht in der Lage sind, das Signal der zweiten Oberwelle zu verstärken, die aber einen Ausgang der zweiten Oberwelle erzeugen, wird eine Intermodulationsstörung dadurch eliminiert oder entscheidend verringert, daß der Verstärer mit den herkömmlichen Steuersignalen wie auch Produkten dritter Ordnung gesteuert wird, die in der Phase so eingestellt werden, daß sie entgegengesetzt zu denen sind, die der Verstärker selbst erzeugt. Dies läßt sich gemäß vorliegender Erfindung dadurch erreichen, daß die Verstärkerkette nach Fig. 9 verwendet wird, um den Leistungsverstärker 2k zu steuern und anstatt die Intermodulationssignale dritter Ordnung aus der Röhre 21 auf ein

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7.1.1972 W/He - 19 - Τ/ρ 7277

Minimum zu bringen, wird die Phasenlage dieser Intermddulationssignale in der Einstelleinrichtung 25 so eingestellt, daß sie entgegengesetzt zu der der Produkte dritter Ordnung ist, die normalerweise in dem nachfolgenden Leistungsverstärker 25 erzeigt werden.

In den Figuren 12 und 13 ist eine Schaltung gezeigt, die die zweite Oberwelle mit optimaler absoluter Phasenlage und Amplitude relativ zu der Grundwelle durch Verwendung nicht abgestimmter passiver Stromkreiselemente erzeugt. Wie Fig. 12 zeigt, ist das Grundsignal mit der Frequenz f, das auf der Leitung 31 an der Stelle M eingeführt wird, über eine Koppelung 32 und über eine Umgehungsleitung 35 für einen Vervielfacher ~5k, der die Grundwelle vervielfacht und Ausgänge bei Frequenzen f und 2f besitzt, gekoppelt. Die beiden Leitungen sind wiederum über eine Kopplung 35 zum Anlegen der Signale, deren Frequenzen f und 2f in bezug auf die Phasenlage richtig eingestellt sind, in den Leistungsverstärker 36 gekoppelt. Die Leitungslänge zwischen den Punkten M und N für jeden der beiden Pfade unterscheidet sich nicht um mehr als eine halbe Wellenlänge bei der zweiten Oberwelle. Bei den charakteristischen Eigenschaften der Röhre 36 wird die Abweichung der Phasenlage von der Linearität zwischen den unkten M und N so gewählt, daß die optimale Phasenlage für eine Intermodulationsstörungsverringerung erzielt wird (vgl. Fig. 13)·

Fig. 14 zeigt eine graphische Darstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers als Funktion der Frequenz; in dieser Darstellung ist der normale Verstärkungsgrad des Verstärkers gestrichelt dargestellt, wobei die Einführung der zweiten Oberwelle nicht vorhanden ist. Die fest ausgezogene Linie zeigt den Verstärkungsgrad unter Verwendung vorliegender Erfindung, wobei eine ausgezeichnete Intermodulationsstörungsverringerung erzielt wir*.

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7.1.1972 W/He - 20 - τ/ρ 7277

Während vorliegende Erfindung in idealer Weise für die Störungsverringerung der zweiten Oberwelle und der Intermodulation; durch äußeren Betrieb bei bekannten Wanderfeldröhren geeignet ist, kann die Erfindung auch durch entsprechende Modifikation von Wanderfeldröhren zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse verwendet werden. Typische Ausführungsformen der Erfindung bei solchen Wanderfeldröhren sind in den Fig. 15 bis 18 gezeigt.

Nach einem Merkmal vorliegender Erfindung, das schematisch in Fig. 15 gezeigt ist, wird das gewünschte Signal der zweiten Harmonischen zur Löschung innerhalb der Röhre 41 aufgebaut, indem eh Langsamfeldabschnitt 42 für die Röhre verwendet wird, der eine Dispersion auiweist, die sich mit der Länge ändert. An einer Seile 43 längs des Langsamfeldabschnittes werden die physikalischen Eigenschaften der Röhre in einer solchen V/eise modifiziert, daß die Phasengeschwindigkeit bei Grundfrequenz unverändeafc bleibt, daß jedoch die Phasengeschwindigkeit der zweiten Oberwellenfrequenz unterschiedlich ist. Deshalb wird die Energie der zweiten Oberteile, die auf dem Langsamfeldabschnitt fortschreitet, außer Phase mit der Energie der zweiten Oberwelle im Elektronenstrahl kommen und den erforderlichen Löschungsvorgang aufbauen. Die Phasengeschwindigkeitsänderung bei der zweiten Oberwellenfrequenz kann durch Veränderung eines oder mehrerer der Röhrenparameter verändert werden, z.B. die Wendelsteigung, der Hüllendurchmesser, der Durchmesser des Wendelträgerstabes usw.

Anstelle der in Fig. 15 gezeigten Konstruktion kann die Wanderfeldröhre 51 die in Fig. 16 gezeigte Form annehmen, beider eine Resonanzdämpfung 53 längs des Langsamfeldabschnittes 52 vorgesehen ist, die einen wesentlich höheren Verlust für das Grundsignal als für die zweite Oberwelle ergibt. In Anschluß an die Dämpfung 53 wird die Stromkreisgeometrie ^k so geändert, dai? sie die Phasengeschwindigkeit der zweiten Oberwelle in bezug auf die Phasengeschwindigkeit der Grundwelle in Abhängigkeit von den vorbeschriebenen Anforderungen einstellt.

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7.1.1972 W/He - 21 - τ/ρ 7277 '

Nach einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung, das in Fig. 17 schematisch zum Ausdruck gebracht ist, kann der Langsamfeldabschnitt 62 einer Wanderfeldröhre 6l unterbrochen und die entsprechende Phasenverschiebung zwischen der zweiten Oberwelle und der Grundwelle in einer elektrischen Leitung an der Unterbrechung vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine einfache Mäanderleitung 63 an der Unterbrechungsstelle verwendet werden, um die gewünschte Phasenverschiebung zu erzielen. Diese elektrische Leitung kannentweder innerhalb des Vakuumgehäuses der Röhre oder außerhalb des Vakuumgehäuses der Röhre angeordnet sein.

Anstelle¹der in Fig. 17 gezeigten Anordnung kann die Wanderfeldröhre 71> wie in Fig. lS gezeigt, soaufgebaut sein, daß die Energie der zweiten Oberwelle von der Langsamfeldsehaltung 72

v/ircT

vor der herkömmliehen Dämpfungseinrichtung 73 entfernt/, wo die Schaltung aufgetrennt ist. Das Signal der zweiten Oberwelle kann dann wiederum an die Langsamfeldsehaltung im Anschluß an die Dämpfungseinrlchtun^ mit der entsprechenden Phaseneinstellung angelegt werden.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   l.y Einrichtung ^zur Optimierung der nutzbaren Ausgangsleistung einer Wanderfeldröhre, die eine maximale Gesamtausgangsleistung besitzt und die, wenn sie von Eingangssignalen gewünschter Frequenzen, welche durch die Wanderfeldröhre verstärkt worden sollen, gesteuert werden, auch induzierte Ausgangssignale unterschiedlicher Frequenz in Abhängigkeit von Anlegen dieser Eingangssignale erzeugt, wodurch die verfügbare Ausgangsleistung bei den gewünschten Frequenzen verringert wird, und die Mittel zur Erzeugung von Signalen mit dieser unterschiedlichen Frequenz und zum Aufgeben der auf diese //eise erzeugten

   aufweist

   Signale auf die Wanderfeldröhre^ um die Ausgangsleistung i,oi den gewünschten Frequenzen zu erhöhen, gekennzeichnet uLuch eine erste Einrichtung (13) zur Erzeugung ,.ines i:u3ai.u.iengcsetzten Signales mit einer ersten Komponente, die die Lingangssxgnale enthält, welche von der Wanderfeldröhre verstärkt v.erden, und einer zweiten Komponente, die Signale :...it der unterschiedlichen Frequenz enthält, und eine zweite Einrichtung (12) zur Erzielung der Phasenlage und Größe der ersten Komponente in bezug auf die zweite Komponente- , oc-rart, uü;j dann , wenn das zusammengesetzte Signal c.er wancKrrfeidrönre aufgegeben wird, ein Xompensationssignal durch / der zv/eiten Komponente erzeugt wird, die in der Grö:3e gleici. und in der Phasenlage ua 180 gegenüber den Ausgangs.=;igna.um unterschiedlicher Frequenz verschoben ist, wüIc^o- in der »Janderfeldröhre in Abhängigkeit vom Aufgeben der or.¹-..tan Auar nente des zusamjaengesetztan Signales induziert »..rrdon.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ^!..k^nn^oit. ilucL, da ■.': i induzierten Signale eint,- < rsten Pha;;^abt :.;.i cli.itK- 0^ ^{zu (}^,n EingangiJsignalen aufweisen, daß die ΐ',,νκαι I.u.yüncnten at;-

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   BAD ORIGINAL

   Τ/ρ 7277 -23- 7.1.72 W/vie

   zusaujnengesetzten Signales, wie es ursprünglich erzeugt wurde, eine zweite Phasenbeziehung 02 ^zu ^^en Eingangssignalen aufweisen, und da:? die zweite Einrichtung die Phasenlage der zweiten Komponente in Bezug auf die erste Komponente um eine Phasenverschiebung 0^ verschiebt, so dai3 gilt 0₂ + 0₃ = 0_± + 130°.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine dispergierenue Übertragungsleitung ist.
4. 4. Einrichtung nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine Steuerwanderfeldröhre ist, der die Eingangssignale zuerst aufgegeben werden, und in der die zweite Komponente des zusammengesetzten Signales das induzierte Ausgangssignal der unterschiedlichen Frequenz ist, das in der Steuerwanderfeldröhre in Abhängigkeit vom Aufgeben des Eingangssignales auf die Steuerwanderfeldröhre erzeugt wird, und die erste Kouiponenta des zusammengesetzten Signales das Eingangssignal ist, wie es durch die Steuerwanderfeldröhre verstärkt wird.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, da3 die dispergierende übertragungsleitung solche Dispersions- ^igenschaften und eine solche Länge aufweist, daß die Signale der gewünschten Frequenz beira Durchlaufen der Leitung eine Phasenverschiebung erfahren, die 180° von der Phasenverschiebung abweicht, welche die Signale mit der unterschiedlichen Frequenz erfahren.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung der Anfangsabschnitt der Wanderfeldröhre ist.

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   Τ/ρ 7277 -24- 7.1.72 W/We
7. 7. Einrichtung nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die induzierten Signale Signale der zweiten Oberwellenfrequenz sind, die von den EingangsSignalen in der Wanderfeldröhre induziert werden.
8. 8. Einrichtung nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale ein erstes Eingangssignal mit einer ersten Frequenz und ein zweites Eingangssignal mit einer zweiten Frequenz besitzen, und daß die induzierten Signale das Intermodulationsprodukt eines der Eingangssignale und der zweiten Oberwelle des anderen der Eingangssignale sind.

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