TUBO DE ONDAS VIAJERAS Presentado el 50 de junio de 1949 Q INVENTOR LESTER M. F/ao fy/1W ABOGADO Patentado el 14 de julio de 1953 TUBO DE ONDAS VIAJERAS Solicitud 30 de junio de 1949, número de serie 102,317

Reclamación (es. 1

Esta invención se refiere a dispositivos de descarga de electrones, y más particularmente a mejoras en tubos de ondas viajeras del tipo en el que la amplificación de la energía de las ondas se efectúa por interacción entre una onda viajera y una corriente de electrones que se mueven con la onda.

Para que dichos tubos funcionen con éxito, es necesario que los electrones y la onda a amplificar viajen aproximadamente a la misma velocidad. La velocidad del electrón depende de la magnitud del voltaje utilizado para acelerar la corriente. Debido al aumento de la masa con la velocidad, el voltaje adicional requerido para producir una velocidad de electrón adicional dada aumentará cada vez más rápidamente a medida que se acerque a la velocidad de la luz. Por esta razón, actualmente es impracticable en tubos del tipo descrito utilizar velocidades de electrones mucho mayores que una cuarta parte de la velocidad de la luz. En consecuencia, se requiere algún medio para propagar la onda a una velocidad correspondientemente baja con respecto a la de la luz.

Una estructura típica de la técnica anterior para este fin comprende una hélice a la que se suministra en un extremo la energía de entrada de tal manera que transporta una onda que viaja lentamente. La corriente de electrones se dirige a lo largo del eje longitudinal de la hélice en forma de haz, y la energía amplificada aparece en el extremo de salida de la hélice.

El área de la sección transversal del haz de electrones está limitada por el tamaño de la hélice, que a su vez depende más o menos de la longitud de onda de la energía a amplificar. La corriente del haz es el producto del área de la sección transversal y la densidad de electrones, y puede incrementarse aumentando la densidad. Sin embargo, los electrones se repelen entre sí, de modo que un haz denso tiende a dispersarse. Por lo tanto, la corriente total del haz y, por lo tanto, la capacidad de manejo de potencia, está limitada en el tubo de tipo helicoidal. Además, la hélice normalmente consta de muchas vueltas de alambre relativamente fino y debe sostenerse de tal manera que mantenga su forma y paso.

Uno de los principales objetos de la presente invención es proporcionar tubos de ondas progresivas que tengan una capacidad de potencia mejorada y una estructura más simple e inherentemente más robusta que los dispositivos correspondientes de la técnica anterior.

Otro objeto es proporcionar un tipo mejorado de estructuras de propagación de ondas lentas para tubos de ondas progresivas.

Otro objeto de la invención es proporcionar medios de transición o transformadores eficientes para acoplar líneas de transmisión coaxiales convencionales a estructuras de propagación de ondas lentas.

Otro objeto importante de la invención es proporcionar tubos de ondas progresivas que utilizan una corriente de electrones de un área de sección transversal relativamente grande, por lo que se puede obtener una gran corriente de haz con una densidad de electrones relativamente baja.

La invención se describirá con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una sección longitudinal de una parte de una estructura de propagación de ondas lentas según la presente invención.

La Fig. 2 es una familia de gráficos que muestran cómo varía la velocidad de propagación en un dispositivo como el de la Fig. 1 en función de la frecuencia con varias relaciones dimensionales.

La Fig. 3 es una sección longitudinal de un tubo de ondas progresivas construido de acuerdo con los principios de la invención y que incorpora los medios de propagación de ondas de la Fig. 2, y

La figura 4 muestra una modificación de los medios de acoplamiento de entrada del tubo de la figura 1.

La estructura de propagación de ondas lentas ilustrada en la figura 1 comprende una serie de discos conductores o aletas l espaciados a lo largo y sostenidos sobre una varilla conductora 3. Preferiblemente, los discos I son idénticos en grosor y diámetro, igualmente espaciados y paralelos. Un cilindro conductor hueco 5, que tenga un diámetro interior mayor que el diámetro de los discos I, puede rodear la estructura del disco coaxialmente a la varilla 3. Sin embargo, el cilindro 5 no es esencial para el funcionamiento del dispositivo como conductor de disco que se desplaza lentamente. Ondas.

En el funcionamiento del dispositivo de la Fig. 1, la energía de las olas aplicada a un extremo del conjunto se propaga hacia el otro extremo en un modo TM (magnético transversal), con una velocidad que depende de las diversas dimensiones de la estructura y también de la frecuencia de la energía. Las aletas o'discos actúan como líneas radiales cortocircuitadas o secciones de guía de ondas, produciendo un efecto similar a la carga distribuida en una línea de transmisión.

Las curvas de la Fig. 2 muestran la relación entre la velocidad de propagación 'u en el conjunto del disco y la velocidad de la luz 0'', en función del radio del disco a, el radio interno 1) del conductor 5 y el frecuencia f de la energía de onda aplicada. Se supone que el radio del disco a es cinco veces el radio g de la barra 3, y la separación entre discos z es cuatro veces el espesor del disco d. Estas suposiciones son solo para el propósito de ejemplos.

La curva I marcada representa las características de una estructura en la que el conductor exterior 5 está ausente o está tan alejado que tiene un efecto insignificante. Es evidente que la relación de velocidad puede tomar sustancialmente cualquier valor deseado, mediante la elección adecuada del radio a, en cualquier frecuencia particular f. Sin embargo, a medida que varía f, la velocidad también variará.

Cuando

es decir, el conductor exterior es aproximadamente un diez por ciento más grande que los discos, la velocidad no varía tanto, ni con la frecuencia ni con el radio del disco. Por lo tanto, la velocidad es casi independiente de la frecuencia, como se muestra en la curva 9. Con un conductor exterior solo un cinco por ciento más grande que la curva de los discos i I) los efectos del radio del disco y la frecuencia sobre la velocidad son aún menores, y el la relación de velocidad también es menor que con el conductor exterior algo más grande.

La Fig. 3 muestra un tubo amplificador de ondas progresivas que incorpora una estructura como la de la Fig. l. Los discos i se apoyan en la varilla 3 que se extiende a lo largo del tubo. Se omite el conductor exterior 5. Se proporciona un cañón de electrones anular, que incluye un cátodo en forma de anillo l3 y un calentador l5. ¡El calentador i5 está conectado a las barras terminales I1 e I9 que se extienden a través de los sellos 2! y sirven para soportar el montaje del cátodo. Un electrodo de enfoque anular 23 rodea y está conectado al cátodo l3.

El cañón de electrones está encerrado por un cuerpo conductor 25 formado con una cavidad anular 21 que contiene el conjunto de electrodos y provisto de una hendidura anular 29 de la que debe salir la corriente de electrones. El cuerpo 25 está provisto de un orificio central 3!. Un conductor interior coaxial 33 se extiende a través del orificio 3| y termina en su extremo izquierdo en un accesorio 35 adaptado para enganchar el conductor interior de una línea de entrada coaxial, no mostrada. ¿Una manga 3? se extiende desde el cuerpo 25 para enganchar el conductor exterior de la línea de entrada. Se proporciona un sello 39 entre los miembros 33 y 31.

El orificio iii del cuerpo 25 desemboca en su extremo derecho con una abertura cónica ii, cuyo diámetro en la base del cono es algo menor que el diámetro de los discos l. El conductor interior 33 está conectado al extremo pequeño de un cuerpo cónico Q3 dentro de la abertura 4| La superficie interior de la apertura 4! y el cuerpo cónico 43 cooperan para actuar como una sección de línea de transmisión que se estrecha en sección transversal pero no necesariamente en impedancia, y funciona como un transformador para adaptar la línea 3|, 3-3 al conjunto de disco. La línea cónica 41, 43 puede tener una longitud de aproximadamente un cuarto de longitud de onda a la frecuencia media de funcionamiento del tubo.

Una envoltura hermética al vacío 45, que puede estar hecha de vidrio, se extiende sobre la estructura de disco sobre varilla desde el cuerpo conductor 25 hasta otro cuerpo conductor 41 en el extremo de salida del tubo. El cuerpo 47 incluye una pared que forma parte del recinto de vacío y funciona como electrodo colector. Un transformador de línea coaxial ll, 43, como el transformador ii, 43, adapta la estructura del disco a una sección de línea 3k, 33' que está provista de terminales 35, 4 y 31 para conexión con una línea de salida, no mostrada.

En el funcionamiento del tubo descrito, el cátodo 33 y el electrodo de enfoque 23 se mantienen a un potencial muy negativo con respecto al resto del tubo. Las paredes de la rendija anular 29, al ser positivas con respecto al cátodo, producen un campo que acelera los electrones. La corriente de electrones resultante tiene la forma de un tubo cilíndrico hueco cuyo diámetro interior es ligeramente mayor que los discos l, y fluye a lo largo del conjunto de discos hasta la pared 49, donde se recoge.

La energía de onda de entrada aplicada a la línea 3!, 33 establece una onda que viaja sobre la estructura del disco hacia el extremo de salida del tubo. El voltaje de aceleración, es decir, el potencial negativo del cátodo, se ajusta de modo que la velocidad del electrón sea aproximadamente la misma que la velocidad de la onda. Los electrones en una porción de gradiente negativo del campo de la onda son retardados, mientras que aquellos en una porción de gradiente positivo son acelerados.

A medida que la corriente viaja por el tubo, los electrones tienden a formar grupos separados longitudinalmente y la densidad de electrones varía. Esta variación en la densidad de la corriente en movimiento produce un campo como el que la causó, reforzando así la onda a medida que viaja a lo largo del tubo. En el extremo de salida, la onda amplificada aparece en los terminales 37' para su aplicación a cualquier dispositivo o carga de utilización adecuada.

Las dimensiones típicas de un tubo como el de la Fig. 3, diseñado para funcionar a 9060 megaciclos por segundo, son las siguientes:

.' Radio del disco a pulgada 0,343 Radio de la varilla 9 do 0,103 Separación del disco z do 0,0383 Grosor del disco d do 0,0113 Longitud de la varilla do 6,3 Voltaje de aceleración voltios 2180 Corriente catódica total ma 100 Los datos anteriores se dan solo a modo de ejemplo.

Aunque se ha descrito una realización específica de la invención, será evidente a partir de la descripción que son posibles muchas variaciones. Por ejemplo, como se muestra en la figura 1 y se explica en relación con la figura 2, se puede proporcionar un conductor exterior alrededor del conjunto de disco. Pueden proporcionarse medios de enfoque magnético, como los que se utilizan con los tubos de ondas progresivas del tipo helicoidal, aunque la necesidad no es tan grande con los tubos del presente tipo porque la densidad del haz puede ser menor.

La estructura de la figura 3 no es un dispositivo de banda particularmente ancha, ya que su característica de propagación es como la representada por la curva 1 de la figura 2; sin embargo, usando un conductor exterior y un voltaje de aceleración algo mayor, se puede obtener una característica como la de la curva 9 o la curva ll, con una amplificación útil disponible en una banda relativamente amplia.

La impedancia presentada por la estructura de disco sobre varilla a los medios de acoplamiento de entrada y salida dependerá de la distancia radial r desde el eje (ver Fig. 2), a la que se realiza la conexión. Si la línea de entrada o salida termina cerca de la raíz de la aleta o disco, 1" es aproximadamente igual a g y la impedancia presentada a la línea será del orden de un cuarto de ohmio en un caso típico. Dado que las líneas de transmisión coaxiales habituales tienen impedancias del orden de 50 ohmios, esto representa un desajuste extremo.

A medida que aumenta r, la impedancia aumentará.

Sin embargo, a medida que r se acerca al radio del disco a, la impedancia también depende cada vez más de la frecuencia. Por lo tanto, para proporcionar una coincidencia de impedancia razonablemente buena en una banda de frecuencia apreciable, es necesario hacer 1" sustancialmente menor que a y usar transformadores entre el conjunto del disco y las líneas de entrada y salida.

En el dispositivo de la Fig. 3, las secciones de línea cónica 4|, 43 y 4|, 43 están diseñadas como transformadores de cuarto de onda, con una impedancia característica que es la media geométrica de la impedancia de las líneas coaxiales y la impedancia del disco montaje en el radio seleccionado r. Esta disposición es satisfactoria para un tubo como el de la figura 3, que está diseñado para operar en una banda relativamente estrecha. Sin embargo, en un tubo que incluye la cubierta exterior 5 y está diseñado para uso de banda ancha, dicho sistema de adaptación impone una limitación indeseable en el ancho de banda, porque la línea 41, 43 será mucho más larga o más corta que un cuarto de longitud de onda a frecuencias considerablemente más altas o más bajas. inferior a la frecuencia central de diseño.

La transformación de impedancia de banda ancha deseada puede obtenerse utilizando, en lugar de la línea de impedancia uniforme de cuarto de onda 4|, 43, una sección de línea cuya impedancia característica varíe suavemente desde la de la línea 31, 33 en un extremo hasta la que presenta la montaje del disco en el otro extremo. Sin embargo, tal sección de línea debe ser considerablemente más larga que un cuarto de longitud de onda, y preferiblemente de varias longitudes de onda.

La Fig. 4 muestra una disposición de acoplamiento de entrada modificada en la que la coincidencia de impedancia se logra al menos en parte ahusando la varilla central 3 del conjunto de disco sobre varilla, haciendo que el radio g de la varilla se aproxime al radio del disco a en la vecindad del extremo del disco. la estructura. La profundidad radial de los espacios entre discos adyacentes se vuelve cada vez menor, de modo que la estructura es sustancialmente una barra sólida 4 de radio a. al final La línea de entrada 3|, 33 se expande a través de una sección de línea cónica 4|, 43" al tamaño de la línea formada por la varilla sólida 4 y la vaina 5. La sección de línea cónica 4|, 43 puede diseñarse simplemente para funcionar como un adaptador entre las líneas 31, 33 y 4, 5, o puede diseñarse para proporcionar también una cierta cantidad de acción transformadora como se describe anteriormente.

La ranura anular 29, a través de la cual se proyecta la corriente de electrones, tiene una longitud aproximada de un cuarto de longitud de onda en el centro de la banda de frecuencia a través de la cual debe funcionar el tubo. Esto presenta un cortocircuito efectivo al final del espacio 30, evitando la fuga de energía de entrada a través de la ranura 29.

Dado que se pueden realizar muchos cambios en la construcción anterior y se pueden realizar muchas realizaciones aparentemente muy diferentes de esta invención sin apartarse del alcance de la misma, se pretende que todo lo contenido en la descripción anterior o que se muestra en los dibujos adjuntos se interprete como ilustrativo y no limitativo.

Lo reclamado es:

1. Un dispositivo de descarga de electrones que comprende una barra conductora, una pluralidad de discos paralelos en dicha barra espaciados a intervalos sustancialmente menores que su diámetro, medios para producir una corriente de electrones tubular, siendo el diámetro interior de dicha corriente aproximadamente igual al diámetro de dicha corriente. discos, y dirigiendo dicha corriente a lo largo de dicha varilla y coaxialmente a la misma, medios para aplicar energía ondulatoria a un extremo de dicho conjunto de disco y varilla para inducir la propagación de dicha energía a lo largo de dicho conjunto en la dirección del flujo de electrones en dicha corriente, y medios para extraer energía de las olas del otro extremo de dicho conjunto de disco y varilla.

2. Una estructura de tubo de ondas progresivas que incluye una barra, una pluralidad de discos paralelos espaciados en dicha barra, una línea de transmisión coaxial, un miembro conductor cónico con su extremo más pequeño conectado al conductor interno de dicha línea y su extremo más grande conectado al extremo de dicha varilla, siendo el diámetro de dicho extremo mayor mayor que el de dicha varilla, pero menor que el diámetro de dichos discos, y un segundo miembro conductor que incluye una cavidad cónica que rodea a dicho miembro conductor cónico, estando dicho segundo miembro conectado al conductor exterior de dicha línea.

3. Un tubo de ondas progresivas o similar que incluye una estructura de propagación de ondas en forma de varilla y una pluralidad de discos paralelos espaciados en dicha varilla, medios para acoplar una línea de transmisión coaxial a dicha estructura que comprende un conductor exterior cónico conectado al exterior conductor de dicha línea y formando una extensión abocardada hacia afuera de la misma al menos hasta el extremo adyacente de dicha varilla, un conductor interno que incluye una porción cónica conectada al conductor interno de dicha línea y una porción cilíndrica que se extiende desde la base de dicha porción cónica a dicho extremo de dicha varilla, y una serie de ranuras circunferenciales separadas axialmente en dicha porción cilíndrica,aumentando las profundidades de dichas ranuras desde un mínimo en la proximidad del punto de conexión a dicha base de dicha porción cónica hasta un máximo en la proximidad del punto de conexión a dicha varilla.

4. La invención expuesta en la reivindicación 1, que incluye además un conductor tubular exterior que rodea coaxialmente dicho conjunto de disco y varilla y que tiene un diámetro interior mayor que el diámetro de dichos discos.

5. La invención expuesta en la reivindicación 4, en la que el diámetro interior de dicho conductor tubular exterior es más de un cinco por ciento mayor que el diámetro de dichos discos.

LESTER M." CAMPO.

Referencias citadas en el expediente de esta patente PATENTES DE LOS ESTADOS UNIDOS Número Nombre Fecha 2.064.469 Haefi' 15 de diciembre de 1936 2.122.538 Potter 5 de julio de 1938 2.294.881 Alford 8 de septiembre de 1942 2.338.441 Kohl 4 de enero de 1944 2.395.560. , 1946 2,438,913 Hansen 6 de abril de 1948 2,479,687 Linder 23 de agosto de 1949 2,511,407 Kleen et al 13 de junio de 1950 2,516,944 Barnett, 1 de agosto, 1950 2,566,087 lerbs 28 de agosto, 1951 2,567,718 de agosto. 11, 1951 OTRAS REFERENCIAS The Theory of Disc-Loaded Wave Guides, Journal of Applied Physics, vol 18, p. 996-1008, noviembre de 1947.

Artículo de Warnecke y Guenard, págs. 272-278, incl., Annales de Radioelectricite, vol. 3, 14 de noviembre, octubre de 1948.

Artículo de Doehler y Kleen, págs. 117-118, Annales de Radioelectricite, vol. 4, núm. 16, abril de 1949.