Wanderfeldröhre

In einer Wanderfeldröhre (englisch Travelling Wave Tube, Abkürzung TWT) werden elektrische Signale verstärkt, indem freie Elektronen einen Teil ihrer Bewegungsenergie abgeben und dadurch das elektrische Signal verstärken. Um das zu ermöglichen muss das Signalfeld abgebremst werden, damit Elektronenstrahl und Signal ungefähr die gleiche Geschwindigkeit besitzen. Wanderfeldröhren werden zur linearen und rauscharmen Signalverstärkung im Frequenzbereich 0,3 bis etwa 50 GHz eingesetzt. Die Verstärkung liegt zwischen 1000 und 1.000.000 (30-60 dB), und ein hoher Wirkungsgrad von bis zu 70 % kann erreicht werden. Oberhalb 10 GHz sind Wanderfeldröhren deshalb Halbleiterverstärkern überlegen.

Querschnitt durch eine Wanderfeldröhre.

Aufbau und Funktion

Schnittbild einer TWT:
(1) Elektronenkanone
(2) HF-Eingang
(3) Magnet
(4) Abschwächer
(5) Helix-Wendel
(6) HF-Ausgang
(7) Glashülle für Vakuum
(8) Elektronenkollektor

Die wichtigsten Teile einer Wanderfeldröhre sind in den beiden Abbildungen gezeigt.

Elektronen werden mittels einer beheizten Kathode freigesetzt und der Elektronenstrahl wandert durch einen spiralförmig gebogenen Draht, Helix genannt. Das eingekoppelte Signal wird in der Helix verstärkt und das verstärkte Signal wiederum ausgekoppelt. Am Ende der Röhre wird der Elektronenstrahl durch einen Kollektor aufgefangen, wodurch Energie zurückgewonnen wird. Erst dieses Merkmal ermöglicht den hohen Wirkungsgrad von Wanderfeldröhren.

Zunächst werden in einer Glühkathode Elektronen freigesetzt, welche durch elektrische Hochspannungsfelder (1 bis ca. 20 kV) beschleunigt und zu einem Elektronenstrahl gebündelt werden. Dieser Teil der Wanderfeldröhre wird auch Elektronenkanone genannt und ist in der Schemazeichnung und auf dem Foto auf der linken Seite angeordnet (1). Der Elektronenstrahl durchläuft dann die Röhre bis zum Kollektor (8) auf der rechten Seite. Ohne ein extern erzeugtes, axial innerhalb der Röhre gerichtetes Magnetfeld (3) würden die Elektronen allerdings nicht den Kollektor erreichen, da sie sich gegenseitig abstoßen - der Elektronenstrahl würde sich aufweiten. Die Elektronen würden dann die Helix treffen, was diese beschädigen könnte, vor allem aber würde die Verstärkung deutlich abnehmen. Das Magnetfeld in der Röhre wird entweder durch Permanent- oder Elektromagnete erzeugt. Sein Wert liegt in der Größenordnung von 0,1 Tesla.

Das zu verstärkende Signal wird durch einen koaxialen Kontakt (2) auf die Helix (5) eingekoppelt. Die Elektronen aus dem Strahl übertragen ihre Energie auf die Welle in der Helix, wenn deren Geschwindigkeit geringfügig höher ist als die Geschwindigkeit des Signals, präziser die Phasengeschwindigkeit des Signals. Die Phasengeschwindigkeit in einem geraden Leiter liegt bei ca. 60-70 % der Lichtgeschwindigkeit. Daher wären relativistische Elektronengeschwindigkeiten nötig, um eine Verstärkung zu erreichen. Die Beschleunigungsspannung der Elektronenkanonen müsste dann aufgrund der kinetischen Energie der Elektronen bei 100 kV liegen. Daher verlängert man den Weg, den das Signal zurücklegen muss, verglichen mit dem Weg, den die Elektronen zurücklegen, indem man das Signal auf einen um den Elektronenstrahl gewendelten Leiter aufprägt. Auf der Abbildung ist eine Windung etwa neun mal länger als der direkte Weg im Inneren der Röhre. Dadurch wird es möglich, die Betriebsspannung auf bis zu 1 kV zu verringern.

Die Verstärkung in einer Wanderfeldröhre erfolgt durch den sogenannten Tscherenkow-Effekt. Dieser tritt auf, wenn die Geschwindigkeit der Elektronen die Phasengeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes überschreitet. Die Elektronen erfahren anfangs durch das Signal eine Geschwindigkeitsmodulation und bilden während ihrer Laufzeit Pakete (engl. bunches), die durch Influenz auf die Wendel das Signal kohärent verstärken. Dieser Effekt ist über einen weiten Bereich selbstregelnd - zu schnelle Elektronen werden durch das Hochfrequenzfeld der Wendel abgebremst und geben Energie an sie ab. Eine andere Erklärung für die Verstärkung betrachtet die gegenseitige elektrische Induktion des zu verstärkenden Signals und der Wellen des modulierten Elektronenstrahls ^[1]. Die hohe Verstärkung der Wanderfeldröhre kann auch zur Selbsterregung durch auf der Wendel zurücklaufende Hochfrequenz führen. Um dies zu verhindern, befindet sich in der Röhrenmitte ein Dämpfungsglied (4). Dieses behindert zwar auch ein Vorwärtslaufen der Welle auf der Wendel - in der Mitte ist jedoch das Signal bereits auf den Elektronenstrahl geprägt und dieser muss ohnehin eine gewisse Strecke zurücklegen, bevor aus ihm Energie auf die Wendel übergehen kann.

Am Ende der Röhre wird das verstärkte Signal vom Elektronenstrahl getrennt. Die durch die Wechselwirkung mit der HF-Welle abgebremsten Elektronen werden im Kollektor aufgefangen und das Signal wird entweder in ein Koaxialkabel oder einen Hohlleiter ausgekoppelt.

Vergleich mit anderen Elektronvakuumröhren

Im Gegensatz zu Klystrons sind Wanderfeldröhren sehr breitbandig. Die Bandbreite hängt wesentlich von der Ein- und Auskoppelmethode in die Helix ab. Folgende Koppelmethoden sind gebräuchlich^[2]:
Der direkte Anschluss der Helix an einen koaxialen Anschluss (Siehe Bild oben); Vorteil: breitbandig, Nachteil: schlechtes Stehwellenverhältnis aufgrund der hohen Leitungsimpedanz der Helix. Man kann mit einem daran angeschlossenen Hohlraumresonator eine Anpassung vornehmen, allerdings auf Kosten der Bandbreite. Eine weitere Methode ist das Einbringen der auslaufenden Helixenden in einen angepassten Hohlleiter; nachteilig ist auch hier die geringere Bandbreite. Diese Methode wird bei den unten abgebildeten Wanderfeldröhren in Vollglasausführung angewendet.

Eine bei geringen Leistungen geeignete Methode ist, einen Koaxialanschluss mittels einer um Beginn und Ende der Helix liegenden Koppelwicklung anzupassen.

Anwendung

Wanderfeldröhren werden zur Verstärkung schwacher Signale in Radargeräten, der Satellitenkommunikation und der Radioastronomie eingesetzt. Dabei werden sie sowohl in Sendern als auch in Empfängern verwendet.

Wanderfeldröhren können aufgrund ihrer Breitbandigkeit zum Beispiel das gesamte für Satelliten-Downlink benutzte C-Band (3,4 bis 4,2 GHz) abdecken und liefern dazu beispielsweise etwa 50 Watt Ausgangsleistung bei einer Effizienz von bis zu 71 %^[3].

Wanderfeldröhren können auch moduliert bzw. in ihrer Verstärkung gesteuert werden. Dazu kann der Elektronenstrom der Elektronenkanone mittels ihres Wehneltzylinders gesteuert werden.

Wanderfeldröhren können auch als verstärkender Mischer beim Überlagerungsempfang (Superheterodyn) benutzt werden.

Versorgung

Wanderfeldröhren erfordern eine Heizspannung (einige Volt) für die Glühkathode, ein axiales, durch Permanent- oder Elektromagnete erzeugtes Magnetfeld sowie eine Betriebsspannung im Kilovoltbereich. Hinzu kommen Steuer- und Fokussierspannungen für die Elektronenkanone sowie bei Leistungsanwendungen eine Kühlung des Kollektors und oft auch der Helix.

In der Satellitentechnik heißt diese elektrische Versorgungseinheit für Wanderfeldröhren-Verstärker (TWTA) Electronic Power Conditioner (EPC), die Einheit aus EPC und Verstärker auch Microwave Power Module (MPM).

Wanderfeldröhren im Vergleich zu Halbleiterverstärkern

Halbleiterverstärker, engl. Solid state power amplifier (SSPA), besitzen im Höchstfrequenzbereich von 30 GHz einen Wirkungsgrad von 25 bis 30 %, verglichen mit 50 bis 70 % für Wanderfeldröhren-Verstärker, engl. Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA). Die Linearität ist etwas geringer als bei TWTA. SSPA sind robust gegenüber mechanischer Belastung, aber anfällig gegenüber kosmischer Strahlung. Die Ausfallsrate 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. Sie sind preiswerter und benötigen keine schweren Magnete und Versorgungseinheiten für Kathodenheizung und Hochspannung.

Geschichte und Gegenwart

Wanderfeldröhren (Sowjetunion 1970 bzw. 1972), die große Röhre ist ca. 400 mm lang

Erfunden wurde die TWT in Großbritannien während des Zweiten Weltkriegs von Rudolf Kompfner und von diesem später gemeinsam mit John R. Pierce bei Bell Labs vervollkommnet. Pierce steuerte die theoretische Darstellung der Wanderfeldröhre bei, die für die gezielte Weiterentwicklung des komplizierten Bauelements unabdingbar war.

Um 1960 lag der Wirkungsgrad der Wanderfeldröhre noch bei 10-20 %, verglichen mit 70 % heutzutage.

Die frühen Exemplare wurden noch mit Glasumhüllung gefertigt (siehe Bild), während heute u. a. auch aufgrund der gestiegenen Leistung eine Metall-Keramik-Bauweise bevorzugt wird.

Heute verwendet u. a. die Firma TESAT-Spacecom Wanderfeldröhren; sie produziert auch Stromversorgungen dafür. Als größter Anbieter in Europa stellt die Firma Thales Electron Devices Wanderfeldröhren her. Boeing Defense, Space & Security stellt Wanderfeldröhren u. a. für Radargeräte und Satellitenkommunikation her.

Siehe auch

• Klystron
• Gyrotron
• Freie-Elektronen-Laser

Weblinks

• Radargrundlagen
• Non-profit Portal of Microwave Amplifiers and Technology

Literatur / Quellen

1. ↑ John R. Pierce: Traveling-Wave Tubes. D. van Nostrand Co. 1950
2. ↑ Frederick L. Gould: Radar for Technicians - Installation, Maintenance, and Repair; Verlag McGraw-Hill Professional, 277 Seiten, ISBN 0-07-024062-0, 1995; Seite 64ff
3. ↑ http://www.boeing.com/defense-space/ic/sis/news/sdc/2003_02_25_edd.html

• Pierce, John R. (1950). Traveling-Wave Tubes. D. van Nostrand Co..
• Kompfner, Rudolf (1964). The Invention of the Traveling-Wave Tube. San Francisco Press.