Wanderfeldröhre
Englisch: travelling-wave tube
Vakuumröhre zur Verstärkung elektromagnetischer Signale, bei der die Elektronenkanone einen unmodulierten Elektronenstrahl in die Röhre schießt, der durch ein Wechselwirkungsfeld fließt und mit dem dort eingespeisten Elektromagnetfeld wechselwirkt, wodurch die Elektronen gebündelt werden und Energie auf das Signal übertragen wird.
Laufzeitröhre: Linearversärker für Hochfrequenzsignale
Eine Laufzeitröhre (TWT) ist eine Vakuumröhre, die Hochfrequenz- und Mikrowellensignale durch die Wechselwirkung zwischen einem Elektronenstrahl und einer elektromagnetischen Welle verstärkt, die sich entlang einer Verzögerungsleitung ausbreitet. Anders als herkömmliche Röhrenverstärker, die Gitter zur Modulation des Elektronenflusses nutzen, sendet eine TWT einen kontinuierlichen Elektronenstrahl durch ihre gesamte Länge und lässt ein externes HF-Signal direkt mit diesem Strahl wechselwirken. Die elektromagnetische Welle bewegt sich mit etwa der gleichen Geschwindigkeit wie die Elektronen, was einen anhaltenden Energietransfer über eine lange Strecke in der Röhre ermöglicht.
Die wesentlichen Komponenten sind eine Elektronenkanone (Kathoden- und Anodenbaugruppe), die einen fokussierten Strahl erzeugt, eine Verzögerungsleitung (normalerweise eine Helix oder gekoppelte Hohlleiter), die das HF-Signal führt, und ein Kollektor, der den verbrauchten Elektronenstrahl aufnimmt. Die Verzögerungsstruktur reduziert die Phasengeschwindigkeit des Signals, um sie der Elektronendriftgeschwindigkeit anzugleichen, typischerweise einige Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Wenn das HF-Signal mit vorbeifließenden Elektronen wechselwirkt, ordnet es sie in Mikroklumpen an; diese Klumpen geben kinetische Energie an die Welle ab und verstärken sie. Die Ausgangsleistung wird über eine Antenne oder einen Wellenleiter entnommen, der mit dem nachgelagerten Ende der Helix gekoppelt ist.
Betriebsbereich und Varianten
Eine TWT arbeitet mit Eingangssignalen von Milliwatt bis zu hunderten Watt und erzeugt bei Standardausführungen eine Ausgangsleistung von zehn bis hunderten Watt oder bei Hochleistungsversionen für Satellitenkommunikation und Radar Kilowatt. Die Bandbreite ist groß und umfasst oft eine Oktave oder mehr des Frequenzbereichs, was TWT-Röhren deutlich vielseitiger als schmalbandige Resonanzverstärker macht. Es gibt zwei Hauptvarianten: die Helix-TWT, verwendet in Empfängern und Mittelleistungssendern bis L- und S-Band, und die Hohlleiter-TWT mit gekoppelten Resonatoren, bevorzugt bei höherer Leistung und Millimeterwellenfrequenzen. Eine dritte Type, die Wellenleiter-TWT mit Gratbelastung, verbindet beide Bereiche.
Die Röhre benötigt eine hohe negative Spannung (normalerweise 3 bis 15 kV) an der Kathode relativ zum Kollektor, beträchtliche magnetische Fokussierung (Permanentmagnet oder Spule) und Kühlung für den Kollektor. Die Verstärkung liegt typischerweise bei 20 bis 40 dB; die Rauschzahl reicht von 4 bis 8 dB je nach Betriebspunkt und Frequenz. Die Helix-TWT neigt zu Rückwärts-Wellen-Oszillationen bei niedriger Verstärkung; Ingenieure bauen dämpfende Blätter ein oder nutzen Verzögerungsleitungen mit Verlust, um diese Instabilität zu unterdrücken. Die Kathodendauer ist begrenzt, normalerweise 10.000 bis 40.000 Betriebsstunden, und hängt stark von Betriebstemperatur und Spannungsbelastung ab.
TWT-Röhren bleiben das Standardwerkzeug für Satelliten-Empfänker, Flugzeugradar, elektronische Kriegsführungssysteme und Punkt-zu-Punkt-Mikrowellenstrecken, wo niedriges Rauschen, flache Verstärkung über breite Bänder und inhärente Linearität vorrangig sind. Halbleiterverstärker (GaN- und GaAs-Halbleiter) haben TWT-Röhren in manchen terrestrischen Anwendungen unterhalb von 50 GHz verdrängt, doch die TWT beherrscht Weltraum- und Militäranwendungen, wo Strahlungsfestigkeit, Leistungsdichte und jahrzehntealte betriebliche Bewährung das Gewicht- und Volumenplus rechtfertigen.