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Wanderfeldwellen-Röhren, TWT (traveling wave tube)

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Dietmar Rudolph
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01.Jan.10 19:10
 
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Zur Verstärkung modulierter Schwingungen mit sehr hohen Träger-Frequenzen (GHz Bereich) werden Wanderfeldwellen-Röhren (TWT, traveling wave tube] verwendet. So z.B. auch (noch) in Transpondern von Satelliten. TWT's sind in der Lage, HF-Leistungen in der Größenordnung von mehreren Hundert Watt zu erzeugen (für Satelliten-Direktempfang), im Pulsbetrieb sogar bis 100KW (für Radar).

Bei sehr hohen Frequenzen spielt die Laufzeit der Ladungsträger (Elektronen) eine entscheidende Rolle. "Normale" Röhren mit Ladungssteuerung versagen hier, wenn die Flugzeit der Elektronen zwischen Katode und Anode größer wird als ca. 1/10 der Periodendauer der HF-Schwingung.
[Einen ähnlichen Effekt gibt es bei Oszillographen-Röhren, wo zur Abhilfe die Y-Platten als Laufzeit-Leitungen ausgebildet werden.]

Bei den Wanderfeldwellen-Röhren wird die zu verstärkende elektromagnetische Schwingung in eine Verzögerungs-Wendel eingekoppelt, wo sie dann in X-Richtung genau so schnell läuft wie die Elektronen, die in der Mitte der Wendel hindurchfliegen.

In diesem Prinzipschaltbild ist links eine Elektronenkanone und eine Fokussier-Einrichtung für den Elektronenstrahl (prinzipiell vergleichbar mit den elektronischen Linsen, die bei Oszillographen-Röhren verwendet werden). Es folgt ein Hohlraum-Resonator (cavity) mit dessen Hilfe die hochfrequente Schwingung auf die Verzögerungs-Wendel eingekoppelt wird. Diese läuft nun mit der (mittleren) Geschwindigkeit des Elektronenstrahls in Richtung Kollektor.

Das Prinzip der Verzögerungsleitung ist in der folgenden Grafik verdeutlicht.

Die Länge der Röhre ist so groß, daß mehrere Perioden der HF-Schwingung sich ausbilden können. Überall da, wo die HF-Schwingung positiv ist, werden die Elektronen (etwas) beschleunigt, während da, wo die HF-Schwingung negativ ist, die Elektronen (etwas) gebremst werden. Aufgrund der Länge der Röhre hat das aber zur Folge, daß am Ort der Auskopplung der HF-Schwingung sich entsprechende Elektronenpakete (Anhäufungen)  bzw. Ausdünnungen gebildet haben. In dem Hohlraum-Resonator auf der Auskoppelseite entsteht dadurch eine HF-Schwingung mit entsprechend großer Amplitude.

Damit die Elektronen im Innern der Wendel (Helix) fliegen, müssen sie magnetisch fokussiert werden.

Bei der hier gezeichneten TWT geschieht die Ein- und Auskopplung der HF-Schwingung über Hohlleiter (waveguide).

Während frühe TWT's elektromagnetisch fokusssiert waren, haben neuere Permanet-Magnete.

[Nicht gezeichnet ist die bedämpfende Schicht etwa in der Mitte der Länge der Helix, die verhindert, daß die verstärkte HF-Schwingung auf den Eingang rückkoppelt und so die TWT instabil arbeitet und schwingt.]

Unter dem Suchbegriff "TWT" findet man z.Z. mehr als 80 Wanderfeldwellen-Röhren.  Als Beispiele werden die TL6 von Telefunken,  die RW80 von Siemens und die W4/2G von STC gewählt.

MfG DR

Dietmar Rudolph
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02.Jan.10 15:43

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Betrachtet man die Kennlinie einer TWT (Ausgangs-Leistung als Funktion der Eingangs-Leistung), so fällt auf, daß ein Maximum existiert (als Sättigungspunkt [Saturation] bezeichnet) und danach die Ausgangsleistung wieder abnimmt.

Dieser Verlauf läßt sich physikalisch leicht erklären. Die eingekoppelte HF-Spannung beschleunigt bzw. verzögert die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls so, daß sich an der Auskoppelstelle geeignete Verdichtungen bzw. Verdünnungen des Elektronenstrahls bilden. Wird nun die eingangsseitige HF-Leistung gesteigert, werden die einen Elektronen stärker beschleunigt, während die anderen stärker verzögert werden. Solange die langsameren Elektronen des Paketes (n-1) und die schnelleren Elektronen des Paketes (n) an der Auskoppelstelle (noch) gemeinsam eintreffen, steigt die HF-Ausgangsleistung noch. Wenn aber die schnelleren Elektronen von Paket (n) die langsameren Elektronen aus Paket (n-1) zu überholen beginnen, fällt die HF-Ausgangsleistung wieder.
[Theoretisch müßte sie wieder ansteigen, wenn die schnellen Elektronen aus (n) die langsamen aus (n-2) einholen.]

Wollte man nur eine (reine, unmodulierte) HF-Leistung erzeugen, würde man die TWT in ihrem Sättigungspunkt betreiben. Aber die TWT soll ein moduliertes Signal (möglichst linear) verstärken. Man betreibt sie deswegen so, daß (maximal) die Modulations-Spitze den Sättigungspunkt erreicht. Der Abstand wird mit "Backoff" bezeichnet. [12 dB etntsprechen z.B. dem Crestfaktor einer COFDM oder eines Signals mit Gauß-förmiger Amplitudendichte.]

Abhängig vom Modulations-Signal (analog bzw. digital) kann der "lineare Bereich" einer TWT auch mit Hilfe des (1 dB) Kompressionspunktes definiert werden.

Auch in dem Bereich, wo die Ausgangsleistung linear von der Eingangsleistung einer TWT abhängt, kommt es zu (nichtlinearen) Phasendrehungen des Ausganssignals. Verbunden damit sind unerwünschte AM/PM-Umwandlungen, wodurch insbesondere digitale Modulationen leiden.

Um diese Unzulänglichkeiten der TWT auszugleichen, werden z.B. die Modulationssignale entsprechend vorverzerrt.

Zum Abschluß hier noch ein Schnittbild einer TWT, wie sie bei "Telstar" zum Einsatz kam.

MfG DR

  
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