Die Wanderfeldröhre als Verstärker mit flexibler Ausgangsleistung Perspektiven und Grenzen

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1 Die Wanderfeldröhre als Verstärker mit flexibler Ausgangsleistung Perspektiven und Grenzen Dr. Andreas Peters Leiter Projektbüro für Entwicklungsvorhaben THALES Electron Devices GmbH Söflinger Straße 100 D ULM (Donau) Tel. (0731) Fax (0731)

2 Helix - Wanderfeldröhren für Kommunikationssatelliten

3 Helix - Wanderfeldröhre prinzipieller Aufbau permanent-periodisches Magnetsystem (ppm) Elektronenstrahl Elektronenkanone Helix Kollektor

4 RF Eingang HF Leistungsausgang zur Antenne bzw. HF Netzwerk Linearisierer / Gain Equalizer + Vorverstärker LCAMP Wanderfeldröhre (TWT) Stromversorgung (EPC) Wanderfeldröhrenverstärker (TWTA) Prinzipschaltbild mit RF- Pfad (blau), Elektronensystem (rot) und Stromversorgung (schwarz)

5 Warum flexible Ausgangsleistung? - Um Anforderungen des zukünftigen Marktes zu bedienen: 1. Industrieller Aspekt Kurze Lieferzeiten späte endgültige technische Definition, insbesondere HF- Leistung 2. Technische Anforderung: Flexible Zuordnung von Leistung und Bandbreite nach kurzfristigem Bedarf des Endkunden ( channel on demand ) Kurze Reaktion auf atmosphärische Bedingungen, insbes. Ka-Band Rekonfigurierung des Satelliten über Operationsdauer von 15 Jahren Anforderung: Variation 3-4 db - 10 db Ziel 3. Neue Anwendung Zukünftige Anforderung im Multiport- Amplifier (Butler- Matrix) typ. 4 db

6 Flexibler TWTA: 1. Stufe: Produktionsflexibilität Industrielle Vorteile: Abdeckung der Leistungsanforderung durch Standard TWTA: TWTs werden vorab gefertigt, endgültiges mechanisches Interface, Einstellung und Tests nach Kundenanforderungen Bei EPC vorab Fertigung der HV-Transformatoren möglich Variationsbereich um 1 1,5 db mit heutiger Peripherie noch machbar (Anodenspannung, Verstärkung) Damit sind stark verkürzte Lieferzeiten realisierbar

7 Flexibler TWTA: 2. Stufe: In - Orbit - Adjustment (IOA) TWTs werden bei Lieferung auf höchste Ausgangsleistung eingestellt operationelle Reduktion der Ausgangsleistung um 3-4 db durch Variation der Anodenspannung Anwendungsbereiche: Wechsel der Kanalzuordnung bzw. Anwendung im Transponder ( rekonfigurierbare Satelliten ) Kompensation atmosphärischer Verluste (Ka-Band: typ. 3-4 db) Optimierung des Leistungshaushalts im Satelliten Flexibler TWTA: 3. Stufe: Multiport- Amplifier flexibel konfigurierbare Antennenabstrahlung: optimaler Variationsbereich ca, 4 db

8 Methoden zur Leistungsvariation bei CW- Wanderfeldröhren (1): 1. Reduktion der Eingangsleistung unterhalb Sättigung ( back-off ) Nachteil: DC- Leistungsaufnahme bleibt praktisch konstant, d.h. Wirkungsgrad fällt analog zur Leistung unwirtschaftlich Nebeneffekt (oft der Grund für die Anwendung): Linearität steigt unterhalb Kompressionsbereich Verstärkung steigt (Sättigungs- Kleinsignalbetrieb) 2. Bevorzugte Methode: Reduktion des Strahlstroms. Einfachste Methode: Spannungsvariation auf Fokuselektrode ( Anode ) Vorteil: Wirkungsgradverlust gegenüber 1. in engen Grenzen Nachteile: dramatische Reduktion der Verstärkung Änderung des Frequenzverhaltens

9 Methoden zur Leistungsvariation bei CW- Wanderfeldröhren im Ka-Band: COMED- Studie Untersuchung an TWTs in 3 Leistungsklassen im Ka-Band 40/20, 70/30 und 120/60 Watt (jeweils 3 db Reduktion) Leistungsreduktion über Anodenspannung und Optimierung des Wirkungsgrades mit variablen Kollekturspannungen (immer konstantes Verhältnis zwischen den Kollektorspannungen) kritisch: Frequenzabhängigkeit von Ausgangsleistung und Verstärkung über breites Band (500 bis 1500 MHz instantane Bandbreite)

10 P2 sat [W] Efficiency [%] ,5 18,5 19,5 20,5 20 Frequency [GHz] 17,5 18,5 19,5 20,5 Frequency [GHz] Ik = 50 ma Ik = 41 ma Ik = 35 ma Ik = 29 ma Gain ss [db] ,5 18,5 19,5 20,5 Frequency [GHz] COMED flex TWT TL / 902 Verhalten über der Frequenz für variable Anodenspannung Ua bzw. Kathodenstrom Ik: damit eingestellte Sättigungsleistung P2 max /-1 db / - 2 db / - 3 db Helixspannung = 6100 V = const Ik = 50 ma Ik = 35 ma Ik = 41 ma Ik = 29 ma alle Kollektorspannungen Uc,i = const.

11 Methoden zur Leistungsvariation bei CW- Wanderfeldröhren: erste Ergebnisse aus COMED- Studie (1) Reduktion der Ausgangsleistung : bis zu 3 db ( in 1 db - Schritten) Wirkungsgrad: Variation der Anodenspannung allein Bandbreite: Verstärkung: Phase: 4.5 bis 8 %- Punkte WG- Verlust Anoden- + Kollektorspannung variiert ( konst. Verhältnis) 3.5 bis 6 %- Punkte WG- Verlust Reduktion von >2GHz auf 500 MHz bei 3 db Leistungsreduktion notwendig Kriterien: starke Frequenzabhängigkeit der Ausgangsleistung und Verstärkung Verlust von 5 db pro1 db Reduktion der Ausgangsleistung höherer Anstieg über der Frequenz Abnahme bis zu 6 bei 3 db Leistungsreduktion

12 40 P2 sat [W] G ss [db] , , ,5 21 Frequency [GHz] Uh,nom V Uh = nom Uh,nom V , , ,5 21 Frequency [GHz] Uh,nom V Uh = nom Uh,nom V COMED flex TWT TL / 902 Verhalten über der Frequenz bei 3 db Leistungsreduktion (Ik = 29 ma, Uh nom = 6100 V): Kompensation des Frequenzverlaufs der Ausgangsleistung bzw. Kleinsignalverstärkung durch Variation der Helixspannung

13 Methoden zur Leistungsvariation bei CW- Wanderfeldröhren: erste Ergebnisse aus COMED- Studie (2) Helixspannungen variabel: Kompensation des Abfalls im Wirkungsgrad über Frequenz aber: höhere Frequenzabhängigkeit der Verstärkung Helix- und Kollektorspannungen variabel: Uh Uci fl Uh fl Uci kritisch in allen Fällen: DC-Leistung: flacher Verlauf Ausgangsleistung über Frequenz aber: höhere Frequenzabhängigkeit der Verstärkung Ausgangsleistung stärker Frequenzabhängig aber: Verstärkungsverlauf flacher der Höchstwert über der Frequenz bleibt unverändert ( cross-efficiency = P2,min(f) / Qdc,max (f) )

14 Methoden zur Leistungsvariation bei CW- Wanderfeldröhren: grundlegendes Ergebnisse aus COMED- Studie Für optimalen Betrieb bei Leistungsreduktion über Anode muss die Spannungs- und HF-Ansteuerung einbezogen werden: EPC und LCAMP müssen gemeinsam geregelt werden wirkungsvolle Kompensation des Wirkungsgradverlustes möglich mit festen Kollektorspannungen aber variabler Helixspannung Frequenzverhalten kann effektiv nur mit flexiblem LCAMP korrigiert werden

15 Methoden zur Leistungsvariation bei CW- Wanderfeldröhren: Ausblick Weitere Untersuchungen notwendig: Optimierung des Röhrendesign in Ka- und Ku- Band Untersuchung Einfluß völlig frei variabler Kollerktorspannungen Kombination Strahlstromsteuerung / back- off- Betrieb: höherer Variationsbereich (8-10 db) bei Kompensation des Verstärkungsverlustes? Optimierung von Aufwand und Komplexität der Peripherie gegen Leistungsdaten