www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Kreuzfeldverstärker (Amplitron)

Kathode
Hohlleiter
Eingang
Hohlleiter
Ausgang
Anode mit einer ungeraden Anzahl
von Hohlraumresonatoren
Dämpfungs-
material

Bild 2: Kreisförmige Bahnen ausgewählter Elektronen in einem Kreuzfeldverstärker

Kathode
Hohlleiter
Eingang
Hohlleiter
Ausgang
Anode mit einer ungeraden Anzahl
von Hohlraumresonatoren
Dämpfungs-
material

Bild 2: Kreisförmige Bahnen ausgewählter Elektronen in einem Kreuzfeldverstärker

Kreuzfeldverstärker (Amplitron)

Bild 1: wassergekühltes Amplitron L–4756A in Transportlage

Bild 1: wassergekühltes Amplitron L–4756A in Transportlage

Der Kreuzfeldverstärker (Amplitron) ist ähnlich aufgebaut wie ein Magnetron, ist aber im Gegensatz diesem kein selbstschwingender Oszillator sondern ein relativ breitbandiger Verstärker. Für das Amplitron werden in der Literatur auch andere Bezeichnungen verwendet, die manchmal auch unterschiedliche Einsatzzwecke markieren:

Das Stabilitron ist eine Oszillatorschaltung bestehend aus einem Kreuzfeldverstärker mit einer äußeren Rückkopplung (Mitkopplung) über einen hochstabilen Hohlraumresonator.

Aufbau des Kreuzfeldverstärkers

Der Kreuzfeldverstärker (oft als Amplitron bezeichnet) gehört wie das Magnetron zur Gruppe der Laufzeitröhren, bei denen die Elektronenströmung mit einer längs einer Verzögerungsleitung laufenden elektromagnetischen Welle in Wechselwirkung tritt. Wie das Magnetron besteht das Amplitron aus der Kathode, dem konzentrisch dazu angeordneten Anodenblock mit dem Verzögerungssystem aus einer Anzahl von Hohlraumresonatoren und einem Magnetsystem. Der Kreuzfeldverstärker ist eine sehr effektive Verstärkerröhre und ist ebenfalls für sehr hohe Leistungen ausgelegt. Im Gegensatz zum Magnetron ist der Kreuzfeldverstärker jedoch kein selbstschwingender Oszillator sondern ein relativ breitbandiger Verstärker. Der wesentliche Unterschied zwischen Magnetron und Kreuzfeldverstärker besteht darin, dass letzterer kein geschlossenes Verzögerungssystem mit nur einem Ausgang hat, sondern sowohl über einen Eingang als auch einen Ausgang verfügt, das Verzögerungssystem unterbrochen ist und dass dar Kreuzfeldverstärker zwingend eine ungerade Anzahl von Resonatoren an der Anode aufweisen muss.

Elektron wird
zusätzlich
beschleunigt
Elektron
wird durch
negativere
Spannung
abgebremst

Bild 3: Das Eingangssignal erregt den ersten Resonator zum Schwingen an.

Elektron wird
zusätzlich
beschleunigt
Elektron wird
durch negativere
Spannung
abgebremst

Bild 3: Das Eingangssignal erregt den ersten Resonator zum Schwingen an.

Arbeitsweise des Kreuzfeldverstärkers

Zwischen der stark negativ geladenen Oxidkathode und der Innenfläche der Resonanzelemente an der (meist auf Massepotenzial liegenden) Anode baut sich ein starkes elektrisches Feld auf, welches die an der Kathode austretenden Elektronen in Richtung Anode beschleunigt. Senkrecht dazu (deshalb der Name: „Kreuzfeld“) steht ein Magnetfeld eines starken Permanent- oder Elektromagneten und bewirkt, dass die Elektronen bei Fehlen einer Eingangsschwingung auf gleichförmigen Kreisbahnen zur Anode fliegen (siehe Bild 2). (Allerdings sollte in der Praxis genau dieser Fall, dass bei voller Anodenspannung kein Eingangssignal anliegt, möglichst vermieden werden, weil die Röhre sonst ein sehr starkes Rauschen erzeugt.)

Wird nun über den Eingangshohlleiter eine hochfrequente Schwingung an den ersten Hohlraumresonator gelegt (siehe Bild 3), dann baut dieser an seinen Trennwänden ein zusätzliches elektrisches Feld auf, welches sich der Anodengleichspannung überlagert. Die zu verstärkende Hochfrequenz ist so hoch, dass die Elektronen zu langsam sind, um innerhalb einer Schwingungsperiode die Anode zu erreichen. Die an den Trennwänden lokal auftretende zusätzliche positive Spannung wird einige Elektronen zusätzlich beschleunigen, das entgegengesetzte negativere Potenzial andere Elektronen etwas abbremsen. Schnellere Elektronen holen die langsameren Elektronen ein und gruppieren sich zu Raumladungsspitzen („Elektronenpakete“). Unter dem Einfluss des radial zwischen Kathode und Anode wirkenden elektrischen Feldes (überlagert mit der Hochfrequenzspannung) und des senkrecht dazu wirkenden magnetischen Feldes bewegen sich die Elektronen nun auf Epizykloidenbahnen. Die Geschwindigkeit dieser Elektronenpakete ist beim Vorbeiflug an den Hohlraumresonatoren um ein Geringes höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der sich von Resonator zu Resonator ausbreitenden Eingangsschwingung. Dadurch werden diese Pakete insgesamt abgebremst und geben dabei ihre Energie an die Schwingung in dem System der Resonatoren ab. Diese Schwingung wird dadurch verstärkt.

Bild 4: Wechselwirkung zwischen einem Hohlraumresonator und den Raumladungsspitzen

Bild 4: Wechselwirkung zwischen einem Hohlraumresonator und den Raumladungsspitzen

Bild 5: Die Raumladungsspitzen als unvollständiges „Speichenrad“ im Laufraum des Kreuzfeldverstärkers

Bild 5: Die Raumladungsspitzen als unvollständiges „Speichenrad“ im Laufraum des Kreuzfeldverstärkers

Ähnlich wie bei einem Magnetron entstehen diese Raumladungsspitzen in Form eines sich drehenden „Speichenrades“ (siehe Bild 4), welches aber bei der Drehung keinen Vollkreis beschreiben kann. Kurz vor dem letzten Hohlraumresonator haben die Elektronen die Anode erreicht und ihre Energie an die Hochfrequenzschwingung abgegeben. Hier können sie als Anodengleichstrom an der Röhre gemessen werden. Durch die ungerade Anzahl der Resonatoren würden nicht ausgekoppelte Teile der Energie jetzt am Eingang eine Gegenkopplung bewirken. Um das zu verhindern, wird in dem einzelnen Resonator, der sich zwischen Eingang und Ausgang der Röhre befindet, (im Bild ganz unten gezeichnet) ein Block aus grafithaltigem Dämpfungsmaterial eingesetzt.

Die Bandbreite des Kreuzfeldverstärkers hängt von der Gestaltung der Hohlraumresonatoren ab und beträgt etwa ±5% der Mittenfrequenz. Die Ausgangsleistung kann mehrere Megawatt Impulsleistung sowie mehrere zehn Kilowatt Durchnittsleistung erreichen. Um unerwünschte Betriebsmoden zu verhindern, wird wie beim Magnetron der gewünschte Mode durch Kurzschlussringe erzwungen, die aber nicht durchgängig sind, da sie nicht direkt den Eingang und den Ausgang kurzschließen dürfen.

Anwendung des Kreuzfeldverstärkers

Aufgrund der besonderen Eigenschaften in der Bandbreite, der hohen Effektivität und der Möglichkeit große Leistungen zu verstärken, hat der Kreuzfeldverstärker in der Radartechnik sowie Kommunikationstechnk eine starke Verbreitung gefunden. Er wird fast ausschließlich als leistungsstarke Senderendstufe eingesetzt. Diese kann aus mehreren Röhren in Reihe hintereinander bestehen. Die Anforderungen an die Linearität innerhalb der Bandbreite sind sehr hoch, um keine Verzerrungen der Sendesignalform zuzulassen. Kreuzfeldverstärker haben einen relativ geringen maximalen Verstärkungsfaktor von 3 bis 20 dB. Typischerweise werden dann wegen ihres höheren Verstärkungsfaktors Wanderfeldröhren als Vorverstärker eingesetzt. Ein Vorteil der Kreuzfeldverstärker ist, dass bei fehlender Anodenspannung das Eingangssignal mit nur wenig Dämpfung an den Ausgang durchgereicht wird. Das wird genutzt, um redundante Lösungen als Ausfallsicherung zu konstruieren sowie um die maximale Sendeleistung aufgabenspezifisch zu reduzieren, ohne dass besondere Umwegleitungen genutzt werden müssen.

Gegenwärtig sind jedoch auch Halbleitersender in der Lage, zwar nicht die genannte Impulsleistung, so doch durchaus die Durchschnittsleistung eines Kreuzfeldverstärkers zu erreichen. Mit der Tendenz, modernere multifunktionale Radargeräte mit aktiver Antenne und digitaler Strahlformung zu verwenden, werden Kreuzfeldverstärker als Senderendstufe mehr und mehr verdrängt.
 

Anmerkung: William C. Brown von der Firma Raytheon nannte seine Erfindung „Amplitron“. Dieser Name ist nun ein Markenzeichen Raytheons für dessen Baureihen von Kreuzfeldverstärkern.