Grundlagen der Radartechnik

Wanderfeldröhren

Was ist eine Wanderfeldröhre?

Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre: ① Elektronenkanone; ② Fokussiermagnet; ③ Verzögerungsleitung (hier eine Wendel); ④ Kollektor;

Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre: ① Elektronenkanone; ② Fokussiermagnet; ③ Verzögerungsleitung (hier eine Wendel); ④ Kollektor;

Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre: ① Elektronenkanone; ② Fokussiermagnet; ③ Verzögerungsleitung (hier eine Wendel); ④ Kollektor; (interaktives Bild)

Wanderfeldröhren

Wanderfeldröhre (engl.: Traveling Wave Tube, Abk.: TWT, ausgesprochen: ”twit“) sind Vakuumröhren, die als rauscharme, breitbandige Verstärker mit hohem Gewinn eingesetzt werden. Eine Wanderfeldröhre ist in der Lage, Verstärkungsfaktoren von 40 bis 70 dB über eine Bandbreite von mehr als zwei Oktaven[1]. (Die Bandbreite von 1 Oktave ist erreicht, wenn die obere grenzfrequenz doppelt so groß, wie die untere ist.) Wanderfeldröhren wurden schon gebaut für Frequenzen von 300 MHz bis 100 Gigahertz.[1] Die erzielbare Ausgangsleistung reicht von wenigen Watt bis über 10 MW. Eine Wanderfeldröhre ist im Grunde ein Spannungsverstärker. Gemeinsam mit Klystrons bilden sie die Gruppe von Linearstrahlröhren innerhalb der Laufzeitröhren. Es gibt zwei grundsätzliche Typen von Wanderfeldröhren:

• Wanderfeldröhren mit Wendelleitung (Helix)
  sind hochempfindliche, breitbandige und rauscharme Verstärker für Radare und Messgeräte;
• Wanderfeldröhren mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Resonatoren (Coupled-Cavity)
  werden als Leistungsverstärker oder als Vorverstärker für Hochleistungssender mit Kreuzfeldverstärkern (crossed field amplifier, CFA). eingesetzt. Sie haben wesentlich höhere Ausgangsleistung, aber dafür geringere Bandbreite (10 … 20%).

Beide Typengruppen haben die gleichen Funktionsprinzipien und enthalten die gleichen hauptsächlichen Baugruppen wie sie im Bild 1 gezeigt werden. Sie unterscheiden sich jedoch wesentlich im Aufbau der Verzögerungsleitung. Die hohe Bandbreite und das geringe Eigenrauschen machen die Wanderfeldröhre zu einem idealen Verstärker im Mikrowellenbereich. Aufgrund des geringen Rauschens werden sie oft in Radarempfängern, Radarsendern und in der Satellitenkommunikation eingesetzt.

Prinzipieller Aufbau

Prinzipieller Aufbau einer Wanderfeldröhre wird im Bild 1 gezeigt. Die Wanderfeldröhre besteht aus vier Komponenten:

1. Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erstellt und ihn in Richtung der Längsachse der Röhre beschleunigt;
2. Magnetische Fokussiereinrichtung welche ein magnetisches Führungsfeld längs der Achse des Elektronenstrahls erzeugt und diesen zu einem schmalen Strahl fokussiert;
3. Verzögerungsleitung als Wechselwirkungskreis, zum Beispiel eine Drahtwendel, die innerhalb der Röhre für die Hochfrequenz eine Leitung mit geringer Impedanz bildet;
4. Kollektor. Der Elektronenstrahl wird im Kollektor gebremst und abgeleitet, nachdem er die Verzögerungsleitung passiert hat.

Alle diese Komponenten der Wanderfeldröhre befinden sich in einem Glas- oder Keramikkörper, in dem ein hohes Vakuum herrscht. Die Ein- und Ausgänge können entweder über Koaxialkabel oder über Hohlleiterverbindungen geleitet werden. Es ist auch möglich, über Richtkoppler eine galvanische Trennung vorzunehmen.

Bild 2: Varianten der magnetischen Fokussiereinrichtung: a) Elektromagnet; b) Permanentmagnet; c) Periodische Permanentmagnete

Bild 2: Varianten der magnetischen Fokussiereinrichtung: a) Elektromagnet; b) Permanentmagnet; c) Periodische Permanentmagnete

Elektronenkanone

Die Elektronenkanone ist ähnlich aufgebaut wie in allen Kathodenstrahlröhren. Sie besteht aus einer meist indirekt geheizten Kathode, die mit einer Heizwendel auf Temperaturen zwischen 850° and 1 100° Celsius aufgeheizt werden muss, um eine ausreichende Anzahl von Elektronen zu emittieren. Um die Kathode herum ist eine ungeheizte Platte angebracht, die entweder Kathodenpotenzial hat oder eine zur Kathode leicht negativere Spannung erhält. Dadurch werden die Elektronen in Richtung Anode gedrängt. Eine oder mehrere Anoden beschleunigen die Elektronen auf eine nutzbare Geschwindigkeit. Die Elektronen können die Anode durch ein Loch oder ein Gitter passieren und wandern als Elektronenstrahl durch die Verzögerungsleitung.

Die Elektronenkanone erhält eine Abschirmung zum Schutz vor der entstehenden ionisierenden Strahlung.

Magnetische Fokussiereinrichtung

Die den Elektronenstrahl und die Verzögerungsleitung umhüllende magnetische Fokussiereinrichtung bündelt die Elektronen zu einem sehr dünnen Strahl. Dieser Magnet kann entweder ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein (siehe Bild 2a). Der Permanentmagnet hat den Vorteil, dass er keine Stromversorgung benötigt und ständig verfügbar ist. Sein Nachteil ist, dass der magnetische Fluss nicht geregelt werden kann um die Leistung der Wanderfeldröhre zu optimieren.

Wenn der notwendigerweise recht große Einzelmagnet (siehe Bild 2b) durch mehrere kleinere Magnete ersetzt wird, kann die Größe und das Gesamtgewicht des Wanderfeldröhrenverstärkers stark reduziert werden (siehe Bild 2c).

Zwischen Magnet und Röhre befindet sich ein Aluminiumgehäuse zur Abschirmung. Ferromagnetisches Material kann nicht verwendet werden, da es das magnetische Feld beeinflusst. Äußere störende Magnetfelder können die Gleichmäßigkeit des inneren Magnetfeldes beeinflussen und können die Wanderfeldröhre sogar unbrauchbar machen. Deswegen werden Wanderfeldröhren in überdimensionierten Verpackungen geliefert, um einen ausreichenden Abstand zu diesen Störfeldern zu garantieren.

HF- Eingangs-
signal

Wirkung des-
Dämpfungsbelages

in die Wendel
induzierte Spannung

Dichtemodulation
der Elektronen

Bild 3: Verstärktes HF-Signal in der Wendel

HF- Eingangs-
signal

Wirkung des-
Dämpfungsbelages

in die Wendel
induzierte Spannung

Dichtemodulation
der Elektronen

Bild 3: Verstärktes HF-Signal in der Wendel

Verzögerungsleitung

Die Elektronen in dem Elektronenstrahl bewegen sich wesentlich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit. Je nach Anodenspannung, die zwischen 4 und 120 kV liegen kann, beträgt die Geschwindigkeit der Elektronen 10 bis 50% der Lichtgeschwindigkeit. In einer Leitung beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle 66 bis 80% der Lichtgeschwindigkeit. Deshalb muss die Verzögerungsleitung dafür sorgen, dass die in ihr wandernde Hochfrequenz auf die Geschwindigkeit der Elektronen reduziert wird. Das wird immer mit Hilfe von Umwegleitungen gemacht. Diese können als Wendel gebogen sein oder im Zick-Zack verlaufen.

Kollektor

Der Kollektor ist ebenfalls eine Elektrode der Wanderfeldröhre. Er liegt meist auf Massepotenzial, während die Kathode eine extrem hohe negative Spannung erhält. Er wirkt damit auch als Anode. Wenn an der Wanderfeldröhre keine Eingangsspannung anliegt, muss der Kollektor die gesamte Energie des Elektronenstrahls aufnehmen können. Bei Wanderfeldröhren größerer Ausgangsleistung muss der Kollektor deswegen zwangsgekühlt werden. Dies kann mit Luftstrom- oder mit Flüssigkeitskühlung erfolgen. Bei Wanderfeldröhren, die im Weltraum verwendet werden, geschieht das mit Strahlungskühlung. Bei Hochleistungs-Wanderfeldröhren ist der Kollektor mehrstufig aufgebaut, wie es auch im Bild 1 gezeigt wird. 

Beschleunigung

Abbremsung

Paketbildung

Bild 4: Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen und nachfolgende Paketbildung

Beschleunigung

Abbremsung

Paketbildung

Bild 4: Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen und nachfolgende Paketbildung

Prinzipielle Arbeitsweise

Eine hochfrequente Eingangsspannung erzeugt ein zusätzliches elektrisches Feld, das durch die Verzögerungsleitung so verzögert wird, dass es die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit wie der Elektronenstrahl hat und so längere Zeit auf bestimmte Elektronen wirken kann. In der positiven Halbwelle der Schwingung werden die Elektronen zusätzlich beschleunigt, in der negativen Halbwelle dagegen abgebremst. Dieser Vorgang wird bei den Laufzeitröhren Geschwindigkeitsmodulation genannt. Jetzt werden langsamere Elektronen durch schnellere Elektronen eingeholt. Es erfolgt eine paketbildung von Elektronen (siehe Bild 4).

Dadurch gibt aber die elektromagnetische Welle Energie an die Elektronen ab. Zusätzlich wirkt eine Dämpfungsschicht, so dass die Welle damit ihre Energie fast bis auf Null verringert. Diese Dämpfungsschicht verhindert ebenfalls eine Rückkopplung, die zur Selbsterregung führen würde.

Bild 5: Verdrängung von Elektronen in den Drähten der Wendel

Bild 5: Verdrängung von Elektronen in den Drähten der Wendel

Trotzdem ist die Paketbildung bei den Elektronen im Elektronenstrahl immer noch im Gange. Die Geschwindigkeit der Elektronen ist immer noch unterschiedlich, so dass die Paketbildung verstärkt wird. Diese Paketbildung ist über die gesamte Länge des Elektronenstrahls aktiv und die Elektronenpakete sind am Ende der Wendel am größten. Jetzt geben die Elektronenpakete Energie an die Verzögerungsleitung ab. Sie verdrängen die Elektronen in den Drähten der Wendel, so dass dort wieder eine Schwingung entsteht. Diese Schwingung wird nun ständig verstärkt und die Amplitude der HF-Spannung steigt damit weit über das Ausgangsmaß an.

Die Erzeugung der Schwingung in der Verzögerungsleitung geschieht mit einer Phasenverschiebung von −90° gegenüber dem Eingangssignal. Durch die Energieabgabe an die Schwingung werden die Elektronen im Elektronenstrahl abgebremst. In manchen Wanderfeldröhren ist die Wendel deshalb am Ende der Röhre etwas enger gelegt, als am Eingang, so dass diese geringere Geschwindigkeit kompensiert wird.

Eigenschaften

P_aus

P_ein

Bild 6: Kennlinie einer Wanderfeldröhre

P_aus

P_ein

Bild 6: Kennlinie einer Wanderfeldröhre

Leistungsverstärkung

In der Wanderfeldröhre erfolgt eigentlich nur eine Spannungsverstärkung. Da die Impedanz der Leitung konstant ist, bewirkt die höhere Spannung einen größeren Strom und beides Zusammen eine höhere Leistung. Die erreichbare Leistungsverstärkung ist im Wesentlichen von folgenden Faktoren abhängig:

• konstruktiver Aufbau (z.B. Wendellänge)
• Elektronenstrahldurchmesser (durch die Flussdichte B des fokussierenden Magnetfeldes einstellbar)
• Eingangsleistung (siehe Bild 6)
• Wendelspannung U_A2

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.

Bandbreite

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. Es wird nur dann eine frequenzunabhängige Feldverteilung auf einer Leitung erreicht wird, wenn diese Leitung angepasst betrieben wird. Diese Anpassung kann nur über ein begrenztes Frequenzband aufrechterhalten werden, beträgt bei einer Wendel aber trotzdem Werte bis zu einer Größenordnung von mehr als zwei Oktaven. Wenn diese Leitung jedoch resonante Bauteile enthält, dann hängt die Bandbreite von deren Frequenzgang ab. Bei Wanderfeldröhren mit Verzögerungsleitung aus gekoppelten Resonatoren (Coupled-Cavity) beträgt die Bandbreite deshalb nur 10 … 20% der Mittenfrequenz.

Rauschzahl

Wenn die Wanderfeldröhre als rauscharmer HF-Vorverstärker in einem Radarempfänger eingesetzt wird, dann ist deren wichtigster Parameter die Rauschzahl. Dieser Parameter bestimmt wesentlich die Empfindlichkeit des Empfängers und somit die maximale Reichweite des Radars. Die Rauschzahl für die gegenwärtig benutzten Wanderfeldröhren liegt zwischen 3 und 10 dB. Es gibt drei unvermeidbare Gründe für das Eigenrauschen einer Wanderfeldröhre:

• Schroteffekt durch die zufällige Art der Elektronemission aus der Kathode;
• Stromverteilungseffekt durch die unterschiedliche Geschwindigkeit beim Austritt der Elektronen aus der Kathode;
• Johnson-Nyquist-Rauschen entsteht aus der thermischen Eigenbewegung der Elektronen.

Die Größe der Rauschzahl hat einen direkten Zusammenhang mit den meisten Versorgungsspannungen der Wanderfeldröhre. Wenn zum Beispiel die Spannungen an den Elektroden nur um 5% vom Optimalwert abweichen, dann wird sich die Rauschzahl annähernd verdoppeln.

Bild 7: Verzögerungsleitung aus gegenläufig gewickelten Wendeln

Verschiedene Strukturen der Verzögerungsleitung

Die bis hier beschriebene Verzögerungsleitung aus einer Drahtwendel kann durch andere Strukturen ersetzt werden. Es stehen auch sogenannte Ring-Bar und Ring-Loop Strukturen sowie Coupled-Cavity Verzögerungsleitungen, die aus gekoppelten Hohlraumresonatoren bestehen, zur Auswahl. Die Auswahl der Struktur der Verzögerungsleitung hat wesentlichen Einfluss auf die erreichbaren Parameter wie Verstärkungsfaktor, Ausgangsleistung und Bandbreite.

Verzögerungsleitung aus gegenläufig gewickelten Wendeln

Ein Zwischenschritt zur Entwicklung der Ring-Loop und Ring-Bar Struktur ist die Verzögerungsleitung aus gegenläufig gewickelten Wendeln (siehe Bild 7). Beide Wendeln müssen die gleichen Dimensionen haben. Dort, wo sich die beiden Wendeln kreuzen, haben sie Kontakt zueinander. Diese Art Verzögerungsleitung ist weniger empfindlich gegenüber Rückwärtswellen und erlaubt damit höhere Spannungen und Ströme und somit höhere Ausgangsleistungen. Der Nachteil ist, dass sie geringere Bandbreite aufweisen als einfache Wendeln.

Ring-Loop Verzögerungsleitung

Bild 8: Ring-Loop Verzögerungsleitung

Eine Ring-Loop Verzögerungsleitung verwendet konzentrische Ringe die durch Schleifen verbunden sind. (Ein zuweilen verwendeter deutscher Name Ringschleifen Wanderfeldröhre klingt zu linear und zwangsweise übersetzt und ist kaum im Gebrauch.)  Diese Geräte sind im Vergleich zu herkömmlichen Wendel-Wanderfeldröhren in der Lage, höhere Leistungen zu liefern, haben jedoch eine wesentlich geringere Bandbreite von nur 5 bis 15% der Mittenfrequenz und haben durch die Querkapazitäten der Ringflächen auch eine niedrigere Grenzfrequenz von etwa 18 GHz.

Besonderes Merkmal unter Betriebsbedingungen sind die hohe Kopplungsimpedanz und eine geringere Anfälligkeit zur Erzeugung von Oberwellen. Wanderfeldröhren mit einer Ring-Loop Verzögerungsleitung können einen sehr hohen Verstärkungsfaktor (40…60 dB) erzielen. Sie sind mechanisch etwas kleiner, erlauben eine höhere Betriebsspannung bei gleichzeitig geringerer Gefahr einer Selbsterregung durch Rückwärtswellen.

Bild 9: Ring-Bar Verzögerungsleitung

Ring-Bar Verzögerungsleitung

Die Ring-Bar Verzögerungsleitung wurde aus der Verzögerungsleitung aus gegenläufig gewickelten Wendeln entwickelt. Sie ist sehr einfach in der Herstellung, indem ein dünnes Kupferrohr mit präzisen Laserschnitt bearbeitet wird.

Bild 10: Coupled-Cavity Verzögerungsleitung

Coupled-Cavity Verzögerungsleitung

Die Entstehung einer solchen Verzögerungsleitung kann man sich vorstellen als ein mäanderförmig gefalteten Hohlleiter, der in jeder Falte eine Blende zur Anpassung erhielt. Es ist damit tatsächlich eine Umwegleitung zur Anpassung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten.

Die Coupled-Cavity Wanderfeldröhre nutzt als Verzögerungsleitung 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 Wanderfeldröhre bei einer wesentlichen Leistungssteigerung 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.