Eine Wanderfeldröhre (TWTA, englisch für Travelling Wave Tube Amplifier) ist eine Elektronenröhre (elektronisches Bauteil) zur Hochfrequenz-Signalverstärkung. Die Verstärkung beträgt ca. 30-60dB, ist linear und rauscharm. Der Wirkungsgrad liegt bei 70%. Im Höchstfrequenzbereich von 10-50 GHz ist sie Halbleiter-Verstärkerelementen überlegen, abgesehen von den röhrentypischen Nachteilen wie hohen Fertigungskosten, mechanischer Anfälligkeit, Baugröße und aufwändiger Betriebsumgebung (Vorheizzeit für Kathoden; hohe Spannungen).
Aufbau und Funktion
An einer Glühkathode werden Elektronen emittiert, welche zunächst beschleunigt und gebündelt werden. Der Elektronenstrahl ist von einer Helix-Wendel umschlossen, auf die das zu verstärkende HF- Signal geleitet wird.
Damit der Elektronenstrahl innerhalb der Wendel bleibt, ist ein axiales Magnetfeld notwendig.
Die Steigung der Helix (Windungen pro Länge) ist so eingestellt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des zu verstärkenden Signals entlang des Elektronenstrahls nur geringfügig unter der des Elektronenstrahls liegt.
Durch die gegenseitige elektromagnetische Beeinflussung des zu verstärkenden Signals und des Elektronenstrahls gleichen sich die Geschwindigkeiten der Wellenfronten an und das Eingangssignal wird verstärkt.
Im Sättigungsbetrieb sind beide Geschwindigkeiten am Ausgang identisch und es wird die maximale Ausgangsleistung erreicht. Dabei wird Energie vom Elektronenstrahl in die Hochfrequenzwelle übertragen.
Um Selbsterregung durch auf der Wendel zurücklaufende Hochfrequenz zu vermeiden, trägt diese in der Mitte oft ein Dämpfungselement.
Die durch die Wechselwirkung mit der HF-Welle abgebremsten Elekronen werden im Kollektor aufgefangen.
Im Gegensatz zu Klystrons sind Wanderfeldröhren sehr breitbandig. Bei hohen Frequenzen geht man zu Gyrotrons b.z.w. den Freier Elektronen Lasern über.
Die elektrische Versorgungseinheit für TWTA nennt man Electronic Power Conditioner (EPC), die Einheit aus EPC und Verstärker Microwave Power Module (MPM).
Anwendung
Wanderfeldröhren werden zur Verstärkung schwacher Signale in der Satellitenkommunikation und der Radio-Astronomie eingesetzt.
SSPA im Vergleich zu TWTA
Halbleiterverstärker, engl. Solid state power amplifier (SSPA), besitzen im Höchstfrequenzbereich von 30 GHz einen Wirkungsgrad von 25-30%, verglichen mit 50-70% für TWTA. Die Linearität ist etwas geringer als bei TWTA. SSPA sind robust gegenüber mechanischer Belastung, aber anfällig gegenüber kosmischer Strahlung. Die Ausfallrate im Weltraum größer ist als die von TWTA. Das Verhältnis aus Nutzleistung und Gewicht ist bei TWTA bei einer Leistungsaufnahme von 200W günstiger als bei SSPA. Erst bei kleinen Leistungen sind SSPA den TWTA überlegen, da sie weder schwere Glasröhren benötigen, noch die Versorgungseinheiten für Kathodenheizung und Hochspannung.