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8. Vakuumelektronische Mikrowellenbauelemente
Schaltungen und Bausteine der HMTProf. Dr. M. Hein Seite 1
WS 2018/2019
Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961
8. Vakuumelektronische Bauelemente (Röhren)
Eigenschaften von Röhrenbauelementen
Funktionsprinzip und Einteilung
Beispiele: Klystron (Zweikammer, Reflex), Magnetron, Wanderfeldröhre
Laufzeitgesteuerte Elektronenröhren
Dichtegesteuerte Elektronenröhren
Einsatzgebiete
Elektromagnetische Grundlagen (E- und H-Felder)
Funktionsprinzip
Beispiele und Grenzen
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Eigenschaften vonMikrowellen-Röhren
Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf
Verfügbare Leistung
Energieübertragung von einemElektronenstrahl auf hoch-frequente elektromagnetische Felder
Funktionsprinzip
• Verstärkung• Modulation, Vervielfachung• Signalerzeugung (Oszillatoren)
Aufgaben von Röhren
Zinke-Brunsweig, H
ochfrequenztechnik 2
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1923: Gründung der Loewe Audion GmbH (Röhrenherstellung)
1926: Loewe Ortsempfänger OE333 (LW und MW) mit Dreifachröhre 3NF
Beiträge von Manfred v. Ardenne, 1907-1997
(> 600 Erfindungen)
Triode als Richtverstärker gefolgt von NF-Triode und Endtriode kombiniert mit allen Bauteilen für ein Radio (z.B. OE333)außer den frequenzgebenden Elementen
Beispiel für Röhrenbaukunst
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Halbleiter H Röhren R R:HLadungsträger gebunden freiElektrodyn. Wechselwirkung
U (E), I (J), q, dq/dt E, B, dE/dt
Geschwindigkeit Ladungsträger v/c 0.001 0.1 102
Diel. Permittivität >1 ... 1 1 ≪1…1
Anordnung 1-dim 3-dim
Funktionsweise HL, Dotierung, Geometrie
Zahl und Anordnung Elektroden
Baugröße m3 cm3 1012
Leistungsbereich W … kW kW… MW 103
Wirkungsgrade 1…30 % 10…80 % 101
Unterschiede Vakuum- / Festkörperelektronik
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Glühemission (Edison-Richardson-Effekt)
• Thermische Emission von Elektronen aus einer geheizten Wolfram-Kathode
• Effekt 1883 von Thomas Alva Edisonbeobachtet
• 1901 von Sir Owen Williams Richardsonmathematisch formuliertPhysik-Nobelpreis 1928: “...for his work on the thermionic phenomenon and especially for the discovery of the law named after him”
Beschreibung
= Austrittsarbeit 1…6 eVA = materialabhängige Größe
A 106 A/m2K2 für Wolfram
q
2 kTJ(T) A T e
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Elektronen in elektrischen Feldern
LorentzkraftBewegungsgleichung
Beschleunigungsspannung und Geschwindigkeit
E-Feld: ändert kinetische Teilchenenergie UND RichtungB-Feld: ändert NUR Bewegungsrichtung
Beschleunigung durch elektrische Spannung U
Laufzeit über Strecke L
Leistungslose Steuerung
Hohe Frequenzen: Kurze Längen Hohe Spannungen
Fehler durch Vernachlässigung relativistischer Effekte < 1.5% bis U = 10 kV (Aufgabe 19)
Dimensionierung dichtegesteuerter Röhren
2
2d rF m q E v Bdt
E(z) (z)
elW q q U
21kin 2W mvv 2qU 0.062 c U[kV]
11
0
q Asq 1.76 10m kg
L / 2qU1
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Elektronen in magnetischen Feldern
Erzwungene BahnkrümmungStrahlfokussierung (z.B. Wanderfeldröhre)Beitrag zur Schwingungserzeugung (z.B. Magnetron)
Aufgaben
Krümmungsradius und Umlauffrequenz
Kreisradius (Kräftegleichgewicht)
Umlaufzeit
Zyklotronfrequenz
vrq B
rT 2v
12qB
z q B 2 28GHz B[T]
vB
F
B
× × × × × ×
× × × × × ×
× × × × × ×
× × × × × ×
× × × × × ×
× × × × × ×
v
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Dichte- (Gitter-) gesteuerte Röhren
Steilheit S
Steuergrößen
Barkhausen‘sche Röhrenformel
Durchgriff D
Innenwiderstand Ri
Kathode (k)
Gitter (g)
Anode (a)
a
a
g U const.
ISU
a
g
a I const.
UD
U
st g au u D u
a g i adI S dU 1/ R dU
g
ai
a U const.
URI
a idI 0 S D R 1
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Dichte- (Gitter-) gesteuerte Mikrowellen-Röhren
Steilheit S wird komplex,Re{S} sinkt mit = :
Eigenschaften bei hohen Frequenzen (Analogie zu Transistoren)
• Steuerung verbraucht Wirkleistung (Eingangsadmittanz: Re{Y} ~ 2 ~ 2)
• Wirkung der Röhrenreaktanzen nimmt mit der Frequenz f zu(Zuleitungsinduktivität Lk,Gitter-Kathoden-Kapazität Cgk)
Optimale Geometrie erzwingt hohe Stromdichten
Ug
G K
AIa
UaRaRi
SUg
Ig
Lk
Cga
Cak
Cgk
klein Abstände engC klein Flächen klein Stromdichten hoch
j0S( ) S e
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Beispiel einer dichtegesteuerten UHF-Röhre
Scheibentriode HT 301
Oszillatoren und Verstärker in koaxialen Kreisen (2.4 GHz) KenndatenUa = ≤ 500 V; Ia = ≤ 25 mA; Ug = -4 V; S = 5.5 mSPa,max = 6.5 Wfmax = 3.3 GHz
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Übersicht über Mikrowellen-Laufzeitröhren (Auswahl)
Laufzeitröhren
Triftröhren
Lauffeldröhren
Einkreis
Mehrkreis
ohne magnetisches Querfeld
mit magnetischem Querfeld
Wanderfeldröhre
0-Karzinotron
Magnetron
M-Karzinotron
Reflexklystron
ZweikammerklystronZweikammerklystron
Wanderfeldröhre
Magnetron
Reflexklystron
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Zweikammerklystron
1: Elektronenkanone2: Steuerresonator
(Einkopplung)3: Feldfreier Laufraum4: Verstärkungsresonator
(Auskopplung)5: Kollektor
Schematischer Aufbau
HF-Feld moduliert Geschwindigkeit der Elektronen im Steuerresonator
Geschwindigkeitsmodulation
Strahlkopplungskoeffizient
Leistungslose Steuerung (im Mittel)Leistungsverluste in Resonatoren (hohe Güte angestrebt)
U0
Eingang
1
43
5
2
Ausgang
Lw
0 vv(t) v 1 m sin t e 0v
0
U1m si2 U 2
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Funktionsweise des Zweikammerklystrons
Laufweg und LaufwinkelFeldfreier Laufraum
Phasenrichtige Ladungspakete verstärken ResonanzStrom im Auskoppelresonator (t2/t1 <1 )
-1-0.5
00.5
1
0 5 10 15 20Steu
ersp
annu
ng U
e(t)
Phase t
2 3 4 5 6
012345678
Lauf
win
kel
v-Modulation ergibt Dichte-Modulation !
Leistungsverstärkung
Wirkungsgrade bis 40 % (max,theo ≈ 58%)
1v 1
0
v(t )(t) t 1 m sin t tv
w2 1
0 v 1
Lt tv (1 m sin t )
1 w0 0 v 1 0 ~
2 0
t L ˆI I I 1 m cos t I It v
22 212 ~ 2 0 w
max v2 2102 e e
I m R 2P R LG mˆ ˆ vU /R U
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Das ReflexklystronSchematischer Aufbau
Spannung Urefl zwingt Elektronenstrahl zur Umkehr
Feldfreier Laufraum
Scheitelpunkt der Parabel („senkrechter Wurf“) durch Urefl einstellbarDichtemodulation durch Laufwegverlängerung schnellerer Elektronen
1: Elektronenkanone2: Steuerresonator3: feldfreier Laufraum Lw4: Auskoppelresonator5: Kollektor
-Urefl
Ures
1
2,4
3
5
2refl
w
q Uz(t) v(0) t t2L
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http://ww
w.radartutorial.eu/08.transmitters/tx08.de.htm
lDas Magnetron
Zylindrische Diode (Kathode innen, Anode außen)Radial beschleunigendes E-FeldAxial gerichtetes B-Feld (E und B gekreuzt)Lösung der Bewegungsgleichungen
Prinzipieller Aufbau (Elektronenröhre)
Streifender Einfall an Anode für BkritIm Betrieb B > Bkrit (Umkehr vor Anode)
Resonatoren (em. Wechselfelder)Frequenzbestimmende ElementeIn sich geschlossene Verzögerungsleitung (Wanderwelle)
BE
r
Anode
Kathode
2rk
2ra
2 2
2 2dr dv (r) r 2qU(r)dt dt
2k1
z2rd 1
dt r
z q B
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Funktionsweise des Magnetrons
Kardioiden- oder Epi-Zykloiden-Bahnen(2d: Leit- und Rollkreise)
Elektronenbahnen
Erhöhte Lebensdauer im Laufraum
1. Erzeugung (Glühkathode) und Beschleunigungeines Elektronenstromes
Teilfunktionen
2. Geschwindigkeitssteuerungder Elektronen3. Dichtemodulation derElektronenströmung4. Energieabgabe an dasbremsende elektrischeHF-Feld (Wanderfeld)
ω
B
BoBkrit
B<Bkrit B>Bkrit
B=Bkrit
rmax= ra
Anode
Leitkreis
Rollkreis http://ww
w.radartutorial.eu/08.transmitters/tx08.de.htm
l
Animation
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Mikrowellen-Magnetron
2 M xxx
(z.B. Panasonic)CW MagnetronP 900 Wf = 2.45 GHz
Antenne undDrosseln fürHarmonische
Permanent-Magnet
MagnetjochKühlrippenAnodemit Auskopplung
StromversorgungundDrosseln
Oszillatorröhref 0.3…300 GHz
Wirkungsgrade um 60 %
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Die WanderfeldröhreMerkmaleRauscharmeMikrowellen-Spannungsverstärker mit großer Verstärkung (bis 40 dB)und hoher Bandbreite (> 1 Oktave)
Vielfältige EinsatzgebieteRadartechnik
RichtfunkstreckenSatellitenkommunikation
http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/roehren/tu28-de.htm
l
Frequenzbereich 0.3 … > 50 GHz
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K = Kathode (f = Heizung)W = Wehnelt-ZylinderA = FokussieranodeH = Helix (Wendel)M = FokussiermagnetC = KollektorHein, Haus = HohlleiterS = Kurzschlussschieber
Prinzip der Wanderfeldröhre
ff
K W A
S S
Hein Haus
H
M C
Uw
-Uc
UA
U0
M
Kopplung eines gebündeltenElektronenstrahls an eine verzögerte elektromagnetische Welle
Verstärkung: Bremsung der Elektronen (ve–v)/v 10–2
Verzögerungsleitung: Phasengeschwindigkeit durch Ganghöhe bestimmt
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Lösung von Maxwellgleichungen, Poissongleichung und Newtongleichung
Verstärkung der Wanderfeldröhre
Periodische Bremsung und Beschleunigung gemäß Phase des WanderfeldesGeschwindigkeitsmodulation verursacht DichtemodulationElektronen übertragen Energie auf em Welle bei Bremsung, bis v = 0
Wechselwirkung entlang der Leitung
Konvektionsstromdichte
Kleinsignaltheorie
Drei Vorwärtswellen (Lösungen für ) möglich, eine mit Verstärkung längs z
j t zk 0
j t z0
ˆJ [ Re{ e }]ˆ[v Re{v e }]
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Vergleich Laufzeitröhren
Triftröhren
Lauffeldröhren
Einkreis
Mehrkreis
ohne magnet. Querfeld
mit magnet. Querfeld
WanderfeldröhreBreitband- und Sendeverstärker
MagnetronHochleistungsgenerator, bis 80%1…40 GHz, Ppuls MW, Pcw kW
ReflexklystronAbstimmbarer Generator, 1…30 GHz
ZweikammerklystronSendeverstärkerUHF(TV) 50 kW, Ppuls 30 MW