Eine Wanderfeldröhre (englisch Travelling Wave Tube, Abkürzung TWT) ist eine Laufzeit-Elektronenröhre zur linearen und rauscharmen Hochfrequenz-Signalverstärkung für den Frequenzbereich 0,3 bis 50 GHz. Sie erreicht eine Verstärkung von 1000 bis 1'000'000 (30-60 dB) bei einem Wirkungsgrad von bis zu 70 %. Oberhalb 10 GHz ist eine TWT in den elektrischen Eigenschaften einem Halbleiter-Verstärkerelement überlegen.

Querschnitt durch eine Wanderfeldröhre.

[Bearbeiten] 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

An einer Glühkathode werden Elektronen emittiert, welche zunächst beschleunigt und gebündelt werden. Die Elektronenkanone (1) ist in der Schemazeichnung und auf dem Foto auf der linken Seite angeordnet. Der Elektronenstrahl durchläuft die Röhre bis zum Kollektor (8) auf der rechten Seite. Der Kontakt oben links (2) koppelt das zu verstärkende Signal auf die Drahtwendel (5) ein. Die Elektronen aus dem Strahl übertragen Energie auf die Elektronen in der Drahthelix, wenn ihre Geschwindigkeit geringfügig höher ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Leiter liegt bei 60-70% der Lichtgeschwindigkeit. Um eine vergleichbare Geschwindigkeit im Strahl zu erhalten, müsste die Beschleunigungsspannung bei 100 kV liegen. Eine Alternative ist, den Weg der Elektronen im Leiter zu verlängern. Auf dem Foto ist eine Windung ca. 9 Mal so lang wie der direkte Weg im Inneren der Röhre. Dadurch verringert sich die Betriebsspannung auf 2-4 kV. Die Zahl der Elektronen bleibt am Ausgang (6) unverändert. Die Wanderfeldröhre verstärkt Spannungen, keinen Strom.

Permanentmagnete im Röhrenmantel (3) fokussieren den Strahl. Das Dämpfungsglied (4) in der Röhrenmitte verhindert eine Rückkopplung des verstärkten Signals auf den Eingang.

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.

[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.

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

[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. Sie sind preiswerter, benötigen keine schweren Metallröhren-Magnete oder Versorgungseinheiten für Kathodenheizung und Hochspannung.

[Bearbeiten] Geschichte

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

Erfunden wurde die TWT in Großbritannien während des 2. Weltkriegs von Rudolf Kompfner und von diesem später gemeinsam mit John Pierce bei Bell Labs vervollkommnet. Um 1960 lag ihr Wirkungsgrad noch bei 10-20%, verglichen mit 70% heutzutage. Die frühen Exemplare wurden noch aus Glas gefertigt.

[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

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

[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.