Wanderfeldröhre
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Eine Wanderfeldröhre (englisch Travelling Wave Tube, Abkürzung TWT) ist eine spezielle Elektronenröhre zur Hochfrequenz-Signalverstärkung. Sie gehört zur Gruppe der Laufzeitröhren.
Die Verstärkung beträgt ca. 30-60 dB, ist linear und rauscharm. Der Wirkungsgrad beträgt bis zu 70%. Im Höchstfrequenzbereich von 10-50 GHz ist sie Halbleiter-Verstärkerelementen überlegen, abgesehen von den röhrentypischen Nachteilen wie hohen Fertigungskosten, mechanischer Anfälligkeit, Baugröße und aufwendiger Betriebsumgebung (Vorheizzeit für Kathoden; hohe Spannungen).
Erfunden wurde sie in Großbritannien während des 2. Weltkriegs von Rudolf Kompfner und von diesem später gemeinsam mit John Pierce bei Bell Labs vervollkommnet.
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[Bearbeiten] Aufbau und Funktion
An einer Glühkathode werden Elektronen emittiert, welche zunächst beschleunigt und gebündelt werden. Der Elektronenstrahl ist von einer Helix-Wendel umschlossen, auf die das zu verstärkende HF- Signal geleitet wird.
Damit der Elektronenstrahl innerhalb der Wendel bleibt, ist ein axiales Magnetfeld notwendig. Die Steigung der Helix (Windungen pro Länge) ist so eingestellt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des zu verstärkenden Signals entlang des Elektronenstrahls nur geringfügig unter der des Elektronenstrahls liegt.
(1) Elektronenkanone
(2) HF-Eingang
(3) Magnet
(4) Abschwächer
(5) Helix-Wendel
(6) HF-Ausgang
(7) Glashülle für Vakuum
(8) Elektronenkollektor
Durch die gegenseitige elektromagnetische Beeinflussung des zu verstärkenden Signals und des Elektronenstrahls gleichen sich die Geschwindigkeiten der Wellenfronten an und das Eingangssignal wird verstärkt.
Im Sättigungsbetrieb sind beide Geschwindigkeiten am Ausgang identisch und es wird die maximale Ausgangsleistung erreicht. Dabei wird Energie vom Elektronenstrahl in die Hochfrequenzwelle übertragen.
Um Selbsterregung durch auf der Wendel zurücklaufende Hochfrequenz zu vermeiden, trägt diese in der Mitte oft ein Dämpfungselement.
Die durch die Wechselwirkung mit der HF-Welle abgebremsten Elektronen werden im Kollektor aufgefangen.
Im Gegensatz zu Klystrons sind Wanderfeldröhren sehr breitbandig.
Bei noch höheren Frequenzen verwendet man Gyrotrons. Der Freie-Elektronen-Laser ist in der Lage, Wellen bis in den Infrarotbereich zu verstärken oder zu erzeugen. Er ist jedoch eher ein wissenschaftliches Großgerät.
Die elektrische Versorgungseinheit für Wanderfeldröhren-Verstärker (TWTA) nennt man im Englischen Electronic Power Conditioner (EPC), die Einheit aus EPC und Verstärker auch Microwave Power Module (MPM).
[Bearbeiten] Anwendung
Wanderfeldröhren werden zur Verstärkung schwacher Signale in Radargeräten, der Satellitenkommunikation und der Radioastronomie eingesetzt. Dabei finden sie sowohl in Sendern als auch in Empfängern Anwendung.
[Bearbeiten] Wanderfeldröhren im Vergleich zu Halbleiterverstärkern
Halbleiterverstärker, engl. Solid state power amplifier (SSPA), besitzen im Höchstfrequenzbereich von 30 GHz einen Wirkungsgrad von 25-30 %, verglichen mit 50-70 % für Wanderfeldröhren (TWTA). Die Linearität ist etwas geringer als bei TWTA. SSPA sind robust gegenüber mechanischer Belastung, aber anfällig gegenüber kosmischer Strahlung. Die Ausfallrate im Weltraum ist größer als die von TWTA. Das Verhältnis aus Nutzleistung und Gewicht ist bei TWTA bei einer Leistungsaufnahme ab ca. 200 W günstiger als bei SSPA. Erst bei kleinen Leistungen sind SSPA den TWTA überlegen, da sie weder schwere Metallröhren-Magnete benötigen, noch die Versorgungseinheiten für Kathodenheizung und Hochspannung.
[Bearbeiten] Siehe auch
- Klystron
- TESAT-Spacecom Verarbeitet Wanderfeldröhren, Produziert Stromversorgungen für diese
- Thales Electron Devices, Stellt Wanderfeldröhren her. Größter Anbieter in Europa, hohe Qualität
- BOEING Aerospace, Stellt Wanderfeldröhren her. Primär für Radaranwendungen. Mittlere Qualität
[Bearbeiten] Weblinks
[Bearbeiten] Literatur
- Pierce, John R. (1950). Traveling-Wave Tubes. D. van Nostrand Co..
- Kompfner, Rudolf (1964). The Invention of the Traveling-Wave Tube. San Francisco Press.
