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Wanderfeldröhren

132 cm

Bild 1: Leistungs- Wanderfeldröhre VTR 572B des Luftverteidigungsradargerätes HADR

132 cm

Bild 1: Leistungs- Wanderfeldröhre VTR 572B des Luftverteidigungsradargerätes HADR

132 cm

Bild 1: Leistungs- Wanderfeldröhre VTR 572B des Luftverteidigungsradargerätes HADR

Was ist eine Wanderfeldröhre?

Wanderfeldröhren

Wanderfeldröhren (TWT = Traveling Wave Tubes) sind breitbandige Verstärker. Sie nehmen daher eine Sonderstellung unter den Laufzeitröhren ein. Zusätzlich lassen sie sich, auf Grund der besonderen Rauscharmut, als aktives HF- Verstärkerelement in Empfängern einsetzen. Entsprechend ihrer Anwendung unterscheidet man zwei Gruppen von Wanderfeldröhren.

38,7 cm

Bild 2: Wanderfeldröhre УВ-1Б aus russischer Produktion mit Oktalsockel für eine rauscharme Eingangsverstärkung

38,7 cm

Bild 2: Wanderfeldröhre УВ-1Б aus russischer Produktion mit Oktalsockel für eine rauscharme Eingangsverstärkung

38,7 cm

Bild 2: Wanderfeldröhre УВ-1Б aus russischer Produktion mit Oktalsockel für eine rauscharme Eingangsverstärkung

Aufbau und Funktion

Wanderfeldröhren sind rauscharme und breitbandige Mikrowellenverstärker mit einer großen Verstärkung. Es sind Verstärkungsfaktoren bis zu 40 dB bei einer Bandbreite von mehr als einer Oktave üblich. Wanderfeldröhren werden für Frequenzen ab 300 MHz bis zu Frequenzen von mehr als 50 GHz gebaut. Die Wanderfeldröhre ist in erster Linie ein Spannungsverstärker. Die hohe Bandbreite und der große Verstärkungsfaktor machen die Wanderfeldröhre zu einem weit verbreiteten Bauteil in der Radartechnik.

Resonatoren
Wendel (Helix)
Dämpfung
Kollektor
Elektronen-
kanone
Elektronenstrahl
Eingang
Ausgang

Bild 3: prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre

Resonatoren
Wendel (Helix)
Dämpfung
Kollektor
Elektronen-
kanone
Elektronenstrahl
Eingang
Ausgang

Bild 3: prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre

Resonatoren
Wendel (Helix)
Dämpfung
Kollektor
Anode
Elektronen-
kanone
Elektronenstrahl
Eingang
Ausgang

Bild 3: prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre

HF- Eingangs-
signal
Wirkung des-
Dämpfungsbelages
in die Wendel
induzierte Spannung
Dichtemodulation
der Elektronen

Bild 4: Verstärktes HF-Signal in der Wendel

HF- Eingangs-
signal
Wirkung des-
Dämpfungsbelages
in die Wendel
induzierte Spannung
Dichtemodulation
der Elektronen

Bild 4: Verstärktes HF-Signal in der Wendel

Bild 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Wanderfeldröhre. Ausgehend von der Kathode wird der Elektronenstrahl von dem Wehneltzylinder und einem äußeren permanenten Magnetfeld gebündelt und innerhalb der Wendel bis zum Kollektor geführt. Die in den HF - Eingang eingekoppelte Welle gelangt auf die Drahtwendel und pflanzt sich in Richtung HF - Ausgang fort. Aufgrund des längeren Weges (Wendel) den die Welle zurücklegen muss, wird die hohe Geschwindigkeit der Welle an die niedrigere Geschwindigkeit des Elektronenstrahls angeglichen, so dass sich beide nebeneinander, mit nahezu gleicher Geschwindigkeit auf den HF- Ausgang zu bewegen. Dabei beeinflusst die Welle mit seinen am Wendel entstehenden E- Feld örtlich die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls, indem die Elektronen teilweise beschleunigt und teilweise abgebremst werden. Dadurch kommt es zu der von dem Klystron bekannten Dichtemodulation.

Die Abbildung 5 zeigt das durch die Welle erzeugte elektrische Längsfeld im Inneren der Wendelleitung.


Bild 5: Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen
und Detailfoto einer Wendel


Bild 5: Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen
und Detailfoto einer Wendel

Detailfoto der Wendel einer UW-3
Bild 5: Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen und Detailfoto einer Wendel

Die Dichtemodulation beginnt bereits am Wendelanfang und erreicht am Wendelende ihre höchste Ausprägung. Die Frequenz der Dichtemodulation ist gleich der Frequenz der eingekoppelten Welle. Die durch die Dichtemodulation entstehenden Elektronenpakete beeinflussen im Gegenzug wiederum die Welle, indem sie ihr im Wechsel Energie entziehen und zuführen. Durch geeignete bauliche Maßnahmen wird erreicht, dass der Welle wesentlich mehr Energie zugeführt als entzogen wird und damit am HF - Ausgang ein erheblich verstärktes HF- Signal ansteht.

Zusätzliche Magnetfelder sind für die direkte Funktion nicht notwendig. Es werden aber oft Permanentmagnete verwendet, um den Elektronenstrahl über die gesamte Länge der Röhre zu fokussieren.

Charakteristische Eigenschaften
Paus
Pein

Bild 6: Kennlinie einer Wanderfeldröhre

Caractéristique des tubes à ondes progressives
Paus
Pein

Bild 6: Kennlinie einer Wanderfeldröhre

Die erreichbare Leistungsverstärkung ist im Wesentlichen von folgenden Faktoren abhängig:

Aus dem Bild 6 ist für kleine Eingangsleistungen ein linearer Bereich und damit eine konstante Leistungsverstärkung von etwa 26 dB erkennbar. Vergrößert man die Eingangsleistung, Steigt die Ausgangsleistung nicht weiter mit, das heißt der Verstärkungsfaktor sinkt. Es tritt eine Begrenzungswirkung ein, so dass bei sehr starken Eingangssignalen eine Übersteuerung der nachfolgenden Stufe (z.B. Mischstufe) verhindert wird.

Da bei der Wanderfeldröhre der Verstärkungseffekt durch Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und fortschreitender Welle auf einer Verzögerungsleitung erreicht wird, ist für die erreichbare Bandbreite in erster Linie das Frequenzverhalten der Wendel verantwortlich.
Aus dem Thema „Leitungen” ist bekannt, dass nur dann eine frequenzunabhängige Feldverteilung auf einer Leitung erreicht wird, wenn diese Leitung angepasst betrieben wird. Diese Anpassung kann natürlich nur über ein begrenztes Frequenzband aufrechterhalten werden, beträgt aber trotzdem Werte bis zu einer Größenordnung von mehreren Gigahertz.

Der wichtigste Parameter für den Einsatz der Wanderfeldröhre als Eingangsverstärker in Radaranlagen ist die Rauschzahl der Wanderfeldröhre, denn davon wird die Empfindlichkeit des gesamten Empfängers und damit die Reichweite der Radarstation bestimmt. Die Rauschzahl moderner Eingangswanderfeldröhren liegt bei 3 ... 10 dB. Hauptursachen des Rauschens sind:

Die Rauschzahl ist abhängig von der Größe der meisten Speisespannungen der Wanderfeldröhre. Sind die Spannungen an den Elektroden z.B. um 5% geringer als die Optimalwerte, so verdoppelt sich etwa die Rauschzahl.

Da eine Anpassung der Wanderfeldröhre nicht über das gesamte Frequenzband gewährleistet werden kann, kann es also trotzdem zu Reflexionen zwischen Eingang und Ausgang der Wanderfeldröhre kommen. Um die Gefahr einer Selbsterregung (Schwingen) zu verringern, wird die Wendel zusätzlich bedämpft. Diese Dämpfung wird entweder als:

Die Laufzeiten der Welle in der Wendel und die Elektronen im Elektronenstrahl müssen exakt die gleiche Geschwindigkeit aufweisen. Da die durchschnittliche Geschwindigkeit der Elektronen durch die Anodenspannung regelbar ist, kann dieses Verhältnis gut abgestimmt werden. Für eine gute Verstärkung muss die Wendel sehr gleichmäßig und homogen aufgebaut sein. Wenn die Wendel allerdings aus ferromagnetischen Materialien ist, dann kann durch äußere magnetische Störfelder diese Homogenität zerstört werden. Deshalb haben manche Wanderfeldröhren überdimensionale Verpackungen, die einen sicheren Abstand zu Magnetfeldern während des Transportes gewährleistet.

Verschiedene Verzögerungsleitungen
Helix TWT

Die bisher beschriebene einfache Wendel als Helix ist nicht sehr überschlagsfest. Damit sind die erreichbaren Leistungen mit dieser Bauform im Bereich von etwa 4 kW Impulsleistung und etwa 200 W Durchschnittsleistung begrenzt. Leistungswanderfeldröhren haben deshalb eine anders geartete Verzögerungsleitung auf Kosten einer meist schlechteren Bandbreite. Die Verzögerungsleitung kann als Ring-Loop, als Ring-Bar oder als ein System gekoppelter Hohlraumresonatoren ausgeführt sein.

Ring-Loop TWT
Ring-Loop Verzögerungsleitung

Bild 7: Ring-Loop Verzögerungsleitung

Die Ring-Loop Wanderfeldröhre nutzt eine Sonderform der Verzögerungsleitung und erreicht dadurch eine etwas höhere Leistung. Durch deren parasitäre Kapazitäten hat sie allerdings mit nur 18 GHz eine wesentlich geringere obere Grenzfrequenz als Wanderfeldröhren mit Helix.

Die Verstärkung ist mit 40…60 dB wie bei der Helix-TWT, die Bandbreite beträgt jedoch nur etwa 5…15%. Im X-Band wurden 8 kW Impulsleistung bei etwa 400 W Dauerstrichleistung erzeugt.

Ring-Bar Verzögerungsleitung

Bild 8: Ring Bar Verzögerungsleitung

Ring-Bar TWT

Die Ring-Bar TWT hat ähnliche Eigenschaften wie die Ring Loop TWT. Die Verzögerungsleitung lässt sich aber leichter fertigen (wird mittels LASER aus einem Rohr geschnitten) und ist auch stabiler gegen Erschütterungen.

Coupled-cavity Verzögerungsleitung

Bild 9: Coupled-cavity Verzögerungsleitung

Coupled-cavity TWT

Auch die Coupled-cavity Wanderfeldröhre nutzt eine Sonderform der Verzögerungsleitung. Es sind abgestimmte Hohlraumresonatoren, die der Elektronenstrom durchfließt und welche wechselseitig Schlitze aufweisen und somit eine gekoppelte Leitung ergeben. Der HF-Pfad (in der Grafik Blau) verläuft durch die Kopplungsschlitze in den Resonatoren im Zick-zack und kreuzt somit ständig den Elektronenstrom (in der Grafik Rot).

Durch die hohe Güte der einzelnen Resonatoren hat die Coupled-cavity TWT bei einer wesentlichen Leistungssteigerung aber eine bessere obere Grenzfrequenz, aber eben wegen der frequenzabhängigen Resonatoren auch nur eine sehr geringe Bandbreite. Coupled-Cavity-Wanderfeldröhren erreichen über 100 kW Impulsleistung bei etwa 25 kW Dauerstrichleistung.