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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

Date post:	17-Oct-2019
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