Wanderwellenröhren: zeitlose Präzision, die viel bringt

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Wissen Sie, was eine Wanderfeldröhre ist, was sie bewirkt und wie sie hergestellt wird? Ein neues Video beleuchtet die Innovation, das Handwerk und die Präzision, die für dieses technologische Wunderwerk erforderlich sind, das vom Weltmarktführer Thales über viele Jahrzehnte hinweg verfeinert wurde.

Sollten Sie sich in einer Zeit, in der Trillionen Halbleitergeräte – die Halbleiter und Mikroprozessorchips in unserer gesamten Unterhaltungselektronik – stützen, überhaupt für Vakuumröhren interessieren? Ja ist die kurze Antwort, denn ohne diese komplizierten Objekte, die die Signale von Satelliten und Radargeräten verstärken, wären viele der Werkzeuge, auf die wir heute beim Reisen, bei der Arbeit und in unserer Freizeit angewiesen sind, nicht möglich.

Vereinfacht gesagt ist die Röhre ein integraler Bestandteil dieser Sender, bei denen das Eingangssignal oft sehr schwach ist und eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist. Halbleitergeräte, die große Energiemengen benötigen, um zu funktionieren und kühl zu bleiben, können diese Aufgabe nicht erfüllen, insbesondere angesichts der enormen Entfernungen, die die Signale zurücklegen müssen, der langen Betriebsdauer der Sender und der verfügbaren Energiemenge .

Die Geschichte dieser Röhren – sogenannte Wanderwellenröhren (TWTs) – reicht fast 80 Jahre zurück und geht auf Forschungen zurück, die Rudolf Kompfner während des Zweiten Weltkriegs in einem Radarlabor der britischen Admiralität durchführte. Im Mittelpunkt seiner Erfindung stand eine Vakuumelektronenröhre, die Breitband-Mikrowellensignale verstärken und so die Reichweite der drahtlosen Kommunikation enorm erhöhen konnte.

Kurz nach Kriegsende hatte Thales – damals bekannt als CSF – seine eigenen spezialisierten TWT-Forschungs- und Produktionszentren eingerichtet und Radare und Kommunikationssysteme hergestellt, die in den 1970er Jahren zum Start der Raumfahrtindustrie beitragen sollten. Heute ist Thales der weltweit führende Anbieter von Wanderfeldröhren für die Raumfahrt-, Verteidigungs- und Satcom-Märkte.

Die meisten heute von Satelliten gesendeten Daten verwenden einen Thales-Verstärker. Viele tausend TWTs von Thales wurden seit 1974 in die Umlaufbahn gebracht und haben über 900 Millionen Betriebsstunden geleistet. Sie helfen sogar dabei, Daten der Exo-Mars-Mission zu übertragen und durch die New Horizons-Mission Welten am äußersten Rand unseres Sonnensystems zu verstehen. Einzelheiten zu allen Missionen, an denen unsere TWTs beteiligt sind, finden Sie hier.

Seit über 70 Jahren verschieben die Frauen und Männer von Thales die Grenzen der Physik, um Menschen durch außergewöhnliche Produkte zu verbinden, die selbst in den härtesten Umgebungen langlebig sind. An unseren Standorten in Vélizy, Thonon und Ulm teilen Ingenieure, Techniker und Betreiber ein einzigartiges Fachwissen, aufgeteilt auf mehr als 60 Einzelkompetenzen. Jede Komponente wird mit äußerster Präzision gebaut und getestet, denn der Erfolg jeder Weltraummission – und die Kommunikation, auf die wir alle angewiesen sind – hängt von unseren Röhren ab.

Sehen Sie im folgenden Video, wie alle Elemente zusammengesetzt werden und wie die Röhre funktioniert.

Eine Wanderfeldröhre verstärkt eine modulierte elektromagnetische Welle, um Daten zu übertragen. Innerhalb der Vakuumhülle interagiert die elektromagnetische Welle mit einem Elektronenstrahl. Da sich beide mit nahezu gleicher Geschwindigkeit bewegen, übertragen Elektronen ihre kinetische Energie auf die Welle, ein Effekt, der als Cherenkov-Effekt bekannt ist. Die einfachste Analogie, die wir liefern können, ist ein Flugzeug, das knapp über der Schallmauer fliegt und seine kinetische Energie in Form einer Schallwelle abstrahlt.

Die Verstärkung elektromagnetischer Wellen ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, von Mikrowellenherden bis hin zu Radargeräten und Satelliten.

Thales gilt weithin als Pionier und Innovator im Bereich TWT. Wir haben diese Technologie konsequent weiterentwickelt, um entscheidende Verbesserungen im elektrischen Wirkungsgrad und in der thermischen Leistung zu erreichen. Bei Mikrowellenfrequenzen bietet TWT einen elektrischen Wirkungsgrad, der mit konkurrierenden Festkörpertechnologien auf absehbare Zeit nicht erreichbar sein wird. Das macht sie sehr attraktiv für Weltraumanwendungen, bei denen die Kühlung elektrischer Geräte eine Herausforderung darstellen könnte.

Wie funktioniert es?

Ein Elektronenstrahl wird von einer beheizten Kathode extrahiert und durch ein statisches elektrisches Feld innerhalb der TWT-Kanone beschleunigt. Der Elektronenstrahl interagiert dann mit einer eingespeisten elektromagnetischen Welle in einer langsamen Wellenstruktur, normalerweise einer Helix, wobei der Strahl etwa 30 % seiner Energie freisetzt. Am Ende der Leitung beenden die Elektronen ihre Reise in einem abgesenkten Kollektor, wo ein großer Teil ihrer verbleibenden kinetischen Energie zurückgewonnen und wieder in das System injiziert wird. Die Tatsache, dass sich das Elektron im Vakuum bewegt, ohne ohmsche Widerstandsverluste zu erleiden, erklärt, warum der Gesamtwirkungsgrad so hoch ist, dass er selbst bei über 10 GHz über 70 % liegt.