Rejser bølgerør
I et vandrebølgerør (engelsk Travelling Wave Tube , forkortelse TWT ; tysk også kører bølge rør ), er elektriske signaler forstærkes af frie elektroner frigiver en del af deres kinetiske energi og derved forstærkning af det elektriske signal. For at gøre dette muligt skal signalfeltet sænkes, så elektronstrålen og signalet har omtrent samme hastighed. Vandrende bølgerør bruges til lineær og støjsvag signalforstærkning i frekvensområdet 0,3 til omkring 50 GHz. Effektforøgelsen er mellem 30 dB og 60 dB (svarer til en faktor på 1.000 til 1.000.000), og en høj grad af effektivitet på op til 70 procent kan opnås. Vandrende bølgerør er derfor bedre end halvlederforstærkere over 10 GHz.
Layout og funktion
De vigtigste dele af et vandrende bølgerør er vist i de to figurer.
Elektroner frigives ved hjælp af en opvarmet katode, og elektronstrålen bevæger sig langs aksen af en spiralformet ledning kaldet en helix. Det koblede signal forstærkes i spiralen, og det forstærkede signal kobles ud igen i den modsatte ende. I slutningen af røret opsamles elektronstrålen af en kollektor.
For det første frigives elektroner i en varm katode , som accelereres af elektriske højspændingsfelter (mellem 1 og ca. 20 kV) og bundtes i en elektronstråle. Denne del af det vandrende bølgerør kaldes også elektronpistolen og er placeret til venstre i den skematiske tegning og på billedet (1). Elektronstrålen passerer derefter gennem røret til samleren (8) på højre side. Uden et eksternt genereret magnetfelt (3) rettet aksialt inden i røret ville elektronerne imidlertid ikke nå kollektoren, da de frastødte hinanden - elektronstrålen ville ekspandere. Elektronerne ramte derefter spiralen og bidrager ikke længere til forstærkningen. Magnetfeltet i røret genereres enten af permanente magneter eller af elektromagneter. Dens værdi er i størrelsesordenen 0,1 Tesla.
Det signal, der skal forstærkes, er koblet til spiralen (5), for eksempel gennem en koaksial kontakt (2). Elektronerne fra strålen overfører deres energi til bølgen i spiralen, hvis deres hastighed er lidt højere end signalets hastighed, mere præcist signalets fasehastighed. For at opnå dette forlænges stien, som signalet skal rejse, sammenlignet med den sti, som elektronerne bevæger sig, når signalet bevæger sig på en leder, der er viklet rundt om elektronstrålen. Dette gør det muligt at bruge driftsspændinger på omkring 1 kV.
Forstærkningen i et vandrende bølgerør kan forklares med Cherenkov-effekten . Dette sker, når elektronernes hastighed overstiger fasehastigheden for det elektromagnetiske felt.
Oprindeligt oplever elektronerne en hastighedsmodulation på grund af signalet og danner i løbet af deres driftstid pakker (densitetsmodulation), som kohærent forstærker signalet gennem indflydelse på filamentet. Denne effekt er selvregulerende over et bredt område - elektroner, der er for hurtige, sænkes af filamentets højfrekvente felt og overfører energi til det. Forstærkningen stammer således fra den gensidige elektriske indflydelse af signalet, der skal forstærkes, og bølgerne fra den modulerede elektronstråle. Den høje forstærkning af det bevægelige bølgerør kan også føre til selv excitation på grund af den høje frekvens, der løber tilbage på filamentet. For at forhindre dette er der en dæmper (4) i midten af røret. Dette forhindrer også bølgen i at bevæge sig fremad på glødetråden - i midten er signalet imidlertid allerede præget på elektronstrålen, og dette skal alligevel dække en vis afstand, før hastighedsmodulationen er blevet en densitetsmodulation og strøm overføres til glødetråden kan.
Det forstærkede signal kobles ud ved enden af røret. Signalet ankommer enten i et koaksialkabel eller i en bølgeleder. Elektronerne, der sænkes af samspillet med HF-bølgen, fanges i samleren, hvor de forårsager strømtab.
Følgende koblingsmetoder er almindelige:
- Direkte forbindelse af Helix til en koaksial forbindelse (se billedet ovenfor); Fordel: bredbånd, ulempe: dårlig stående bølgeforhold på grund af spiralens høje linieimpedans. Du kan foretage en justering med en hulrumsresonator tilsluttet den, men på bekostning af båndbredden.
- Introduktion af den afsluttende helix ender i en tilpasset bølgeleder; Den lavere båndbredde er også en ulempe her. Denne metode anvendes til vandglasbølgerør i hele glas, der er vist nedenfor.
En egnet metode til lav effekt er at tilpasse en koaksial forbindelse ved hjælp af en kobling, der vikles omkring begyndelsen og slutningen af spiralen.
Sammenligning med andre forstærkere
Vandrende bølgerør er unikke, idet en meget høj forstærkning i mikrobølgeområdet er mulig i en enkelt komponent . Den historiske type TL6 (Telefunken) med en typisk udgangseffekt i det encifrede wattområde ved 4 GHz har en forstærkning på over 33 dB (2000 gange).
I modsætning til klystroner er vandrende bølgerør meget bredbånd. Båndbredden afhænger i det væsentlige af koblings- og afkoblingsmetoden i spiralen.
Tidligere var vandrende bølgerør domænet for følsomme modtagere og sendere med lav effekt på et par watt i GHz-frekvensområdet. De kan bygges til 300 MHz til 50 GHz og har ofte en båndbredde på> 1 oktav.
For eksempel vil de i 2020 kun blive brugt til bredbånds mikrobølgeforstærkere med højere effekt (typisk et par 100 watt i kontinuerlig drift). Når strømmen er lav, er de hovedsageligt blevet erstattet af halvlederkomponenter.
Ansøgning
Vandrende bølgerør bruges til at forstærke svage signaler i radarer, satellitkommunikation og radioastronomi. De bruges i både sendere og modtagere.
På grund af deres bredbånd natur, kan vandrebølgerør dække hele C-båndet (3,4 til 4.2 GHz) anvendes til satellit downlink , f.eks , og levere omkring 50 watt udgangseffekt med en effektivitet på op til 71 procent.
Vandrende bølgerør kan også moduleres eller deres forstærkning kontrolleres. Til dette formål kan elektronstrømmen af elektronkanonen styres ved hjælp af dens Wehnelt-cylinder .
TWT'er kan også anvendes som en forstærkende mixer ved detektion af heterodyne (superheterodyne).
omsorg
Vandrende bølgerør kræver en varmespænding (et par volt) til den varme katode, et aksialt magnetfelt genereret af permanente magneter eller elektromagneter og en driftsspænding i kilovoltområdet. Derudover er der kontrol- og fokuseringsspændinger til elektronpistolen og i strømapplikationer køling af samleren og ofte også spiralen.
Et luftkølet, permanent ophidset TWT-forstærkermodul til 6… 700 watt omkring 6 GHz kræver f.eks. Spændinger på 6,3 V (katodeopvarmning), ca. 6 kV (kollektor) og ca. 11 kV (helix). Det har en effektforøgelse på 54 dB og vejer 7 kg.
Vandrende bølgerør sammenlignet med halvlederforstærkere
Halvlederforstærkere (SSPA af Engl. Solid state effektforstærker ) ved 30 GHz har en effektivitet på 25 til 30 procent sammenlignet med 50 til 70 procent for vandrende bølgerørforstærker (TWTA fra Engl. Travelling Wave Tube Amplifier ).
Linjæriteten af SSPA er lidt værre end TWTA.
SSPA er robuste mod mekanisk stress, men følsomme over for kosmiske stråler . Fejlfrekvensen i rummet er større end TWTA.
Forholdet mellem nyttig effekt og vægt er gunstigere med TWTA med et strømforbrug på omkring 200 W end med SSPA. SSPA'er er kun bedre end TWTA'er til små tjenester.
SSPA er billigere og kræver ikke tunge magneter og forsyningsenheder til katodeopvarmning og højspænding.
Historie og nutid
TWT blev opfundet i Storbritannien under Anden Verdenskrig af Rudolf Kompfner og senere perfektioneret af ham sammen med John R. Pierce hos Bell Labs . Pierce bidrog med den teoretiske repræsentation af det vandrende bølgerør, hvilket var uundværligt for den målrettede videreudvikling af den komplicerede komponent.
Omkring 1960 var effektiviteten af vandrende bølgerør, der blev anvendt som sendere, 10 til 20 procent sammenlignet med 70 procent i dag.
Indtil 1980'erne blev det brugt i stor skala, f.eks. B. som Telefunken TL6 i bredbåndsradiosystemer som transmitterudgangstrin.
Især de tidlige prøver blev fremstillet med glaspærer (se billede). Metal-keramisk kompositkonstruktion foretrækkes til høj ydeevne.
Koncepthistorie
Det tyske ord "vandrende bølgerør" blev første gang brugt i 1949 i publikationen "Undersøgelser af selvoplyste vibrationer i vandrerøret" af Herbert Schnittger og Dieter Weber. Udtrykket "vandrende bølgerør" afvises som upassende af nogle forfattere, fordi udtrykket " vandrende bølge " vækker helt forskellige associationer inden for højspændingsteknologi. Den Telekommunikation Society valgte betegnelsen vandrebølgerør i 1957.
Se også
Weblinks
Litteratur / kilder
- ^ John R. Pierce : Rejsende bølgerør . D. van Nostrand Co., 1950.
- ^ Frederick L. Gould: Radar for teknikere - installation, vedligeholdelse og reparation; McGraw-Hill Professional Publishing, 277 sider, ISBN 0-07-024062-0 , 1995; Side 64ff
- ↑ Boeing introducerer letvægts, højeffektiv C-båndsforstærker ( Memento fra 2. december 2008 i internetarkivet )
- ↑ https://www.necnets.co.jp/da/products/twt/seihin/ld7217.html Tekniske data for LD7217x-modulet fra NEC Network and Sensor Systems, Ltd., adgang den 30. december 2020
- ↑ Telefunken-rør og halvledermeddelelser TL 6-vandrende bølgerør som effektforstærker til 4 GHz-radioforbindelser
- ^ Warner: Historisk ordbog over elektroteknik, informationsteknologi og elektrofysik . Tysk, 2007, ISBN 978-3-8171-1789-5 , s. 392-393 (adgang til 8. november 2012).
- Pierce, John R. (1950). Vandrende bølgerør. D. van Nostrand Co.
- Kompfner, Rudolf (1964). Opfindelsen af Travelling-Wave Tube. San Francisco Press.