MW-Generatoren
Werbung
1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Einführung Elektromagnetischen Wellen lassen sich auf elektrischem Wege in einem sehr großen Frequenzbereich von einigen Hz bis zu 1012 GHz erzeugen. Niedrige Frequenzen werden mit konventionellen Schwingkreisen aus Induktivitäten und Kapazitäten unter Verwendung von Elektronenröhren oder Halbleitertransistoren erzeugt. Für höhere und höchste Frequenzen (f>100MHz) benutzt man, da die üblichen Elektronenröhren wegen der hohen Laufzeit zu träge arbeiten, Klystrons, Magnetrons oder Wanderfeldröhren. Prinzipielle Anforderungen an Mikrowellenquellen: hoher Wirkungsgrad (MW-Leistung/elektrischer Leistung) hohe Stabilität innerhalb eines definierten Frequenzbandes sind möglichst geringer Investitionsaufwand (€/kW) der Robustheit im Betrieb (z.B. Arcing im Applikator/Transmissionssystem) Randbemerkung: Mikrowellenquellen häufig die Hälfte Gesamtinvestition FOLIE 1 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Tabelle: Einteilung von Mikrowellengeneratoren Typen Bauelemente Leistung Anwendung (1-500W) Informationsübertragung spezielle Heizanwendungen Halbleiterquellen GUNN-Diode Impatt-Diode Vakuumelektronenstrahlröhen Magnetron (0,5- 5 kW) klass. MW-Generator für Heizzwecke Klystron (kW – MW) Hochleistungsquelle für Spezialanwendungen im Kommunikationsbereich Gyrotron (> MW) Hochleistungsquelle im Millimeter und Submillimeterbereich FOLIE 2 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Wirkprinzip Vakuumelektronenstrahlen Elektronenstrahlröhren bestehen aus einer Kathode als Elektronenemitter Phasenrichtige Energiezufuhr, Anstoß und einer Anode als Elektronenkollektor. Die entstehenden ElektronenstrahlPakete laufen durch einen oder mehrere Hohlraumresonatoren. Im RESONATOR / VERSTÄRKER Strahl (Koaxialleiter, Holleiter, Atmosphäre) Verluste (Skinverluste, Abstrahlung, dielektrische Verluste) Resonator oszilliert eine elektromagnetische Stehwelle, die einerseits Energie aus den Elektronenstrahlpaketen aufnimmt und andererseits die Elektronenpakete stabilisiert. Die kinetische Energie der Elektronen wird durch deren Wechselwirkung mit resonanten Strukturen zum Teil in Mikrowellenenergie umgewandelt . Elektronenstrahlröhren und insbesondere Magnetrone spielen als Massenprodukte bis hin zu Leistungsanwendungen in der Industrie eine herausragende Rolle. Die Entwicklungsfortschritte bei der Herstellung dieser Quellen führte zu einem regelrechten Boom bei der Verbreitung der Mikrowellenerwärmungstechnik im Alltag. Klystrone sind als Röhrenverstärker vor allem im Bereich der Radarkommunikation und Telekommunikation anzutreffen. Sie werden für Heizzwecke zumeist nur in forschungsorientierten Projekten eingesetzt. FOLIE 3 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Magnetron Bei Magnetronen handelt es sich um laufzeitgesteuerte Elektronenröhren. In der Regel kommen Querfeldmagnetrone zum Einsatz, deren Hauptbestandteile eine Hochvakuumdiode und ein Magnetsystem sind. Letzteres erzeugt über Permanentmagnete und Joche zur Flußführung ein homogenes Magnetfeld, das die Diode in axialer Richtung durchsetzt. Die stabförmige Kathode aus thoriertem Wolfram wird mit Hilfe einer innenliegenden Heizwendel elektrisch beheizt, um die thermische Emission von Elektronen zu erzeugen. Die zylindrische Anode besteht aus Kupfer und ist radial durch eine gerade Anzahl von Zwischenwänden segmentiert, die durch zwei Paare von Koppelringen wechselweise miteinander verbunden sind. Dadurch wird das Innere der Diode unterteilt in: - den Wechselwirkungsraum zwischen der Kathode und den Stirnseiten der Zwischenwände. Hier wird die zwischen der Kathode und Anode anliegende hohe Gleichungspannung wirksam. - die Resonatorräume. Das sind die Bereiche, die durch jeweils zwei Zwischenwände und die Außenwand begrenzt sind. FOLIE 4 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Infolge der Induktivität und Kapazität jedes Resonatorraumes stellt sich als Resonanzschwingung ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld zwischen den inneren Enden benachbarter Zwischenwände ein. Die Koppelringe sollen dabei eine gegenphasige Schwingung jeweils benachbarter Resonatorräume sicherstellen („pi-Modus). Auf jedes von der Kathode emittierte Elektron wirken radial ein konstantes elektrisches Feld, axial das Magnetfeld und tangential ein hochfrequentes Wechselfeld. Aus dem Zusammenwirken dieser Kräfte entsteht eine Elektronenwolke in Form eines Speicherades. Innerhalb des Speichenrades bewegen sich die Elektronen auf zykloidförmigen Bahnen nach außen. Je näher ein Elektron an die vordere Speichenfront gelangt, umso stärker wird es umgelenkt. Dagegen erfährt ein Elektron an der Speichenrückseite eine Beschleunigung, die wegen des Magnetflusses hauptsächlich in Drehrichtung des Speichenrades wirkt. Dies führt zu einem ständigen Hin und Her jedes Elektrons in tangetialer Richtung innerhalb der Speichenbreite auf seinem Weg von der Kathode zur Anode. Die Emission von Elektronen erfolgt ständig über den Umfang der Kathode. FOLIE 5 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Elektronenbahnen im Wechselwirkungsraum eines Magnetrons FOLIE 6 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Aufgrund der Synchronbewegung des Speichenrades werden die Elektronen in den äußeren Bereichen der Speichen unter der Wirkung des hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes tangential abgebremst. Dadurch geben die Elekronen einen Teil ihrer kinetischen Energie ab und tragen so zur Verstärkung der Resonanzschwingung bei. Die so erzeugte Mikrowellenleistung wird in zwei benachbarte Resonatorräume durch eine induktive Auskopplung abgezogen und über ein Koaxialleiter einem Hohlleiter zugeführt. FOLIE 7 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Das Betriebsverhalten eines Magnetrons wird hauptsächlich durch folgende Parameter bestimmt: - die magnetische Induktion durch den Dauermagneten, - den Gleichstrom-Mittelwert des Anodenstroms IA,0 , der durch eine stabilisierte Spanungsversorgung annähernd konstant gehalten wird, - die am Ausgangs des Magnetrons wirksame Abschlußimpedanz, die aus der Impedanz des Erwärmungsraumes samt Erwärmungsgut resultiert. Die Lage des resultierenden Arbeitspunktes kann durch folgende Größen charakterisiert werden: - die Mikrowellenleistung des Magnetrons, - die Arbeitsfrequenz, - die Welligkeit und Phasenlage der elektromagnetischen Welle zwischen Magnetronausgang und Erwärmgungsgut FOLIE 8 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Der Welligkeitsfaktor ergibt sich aus der Überlagerung der hin- und rücklaufenden Welle entsprechend einem Reflexionsfaktor r. s= 1r 1−r Der Welligkeitsfaktor ist somit ein Maß für die elektrische Anpassung der Abschlußimpedanz an das Magnetron. Der Wirkungsgrad des Magnetrons Mikrowellenausgangsleistung und ergibt der sich als Quotient der Gleichstrom-Eingangsleistung. Letztere ist das Produkt aus Speisespannung und Anodenstroms. Bei einer Eingangsleistung von 3,45 kW (elektrisch) und einer Mikrowellen- ausgangsleistung von 2 kW beträgt der Wirkungsgrad ca. 58%. Die Verlustleistung von 1.45 kW wird in Wärme an der Kathode und Anode umgewandelt und erfordert eine Zwangskühlung durch Luft bzw. Wasser. FOLIE 9 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Klystron Beim Klystron lässt man im Prinzip zunächst einen Elektronenstrahl durch einen ersten Resonator laufen, in dem bereits elektromagnetische Wellen angeregt wurden. Das im Resonator oszillierende E-Feld bildet aus dem Elektronenstrahl Pakete (etwa in Analogie zu einer Ampel, die aus dem Fahrzeugstrom Pakete bildet). Die Pakete laufen in einen zweiten (oder weitere) Resonatoren und geben Energie an das dort oszillierende elektromagnetische Feld ab. Beim Reflexklystron wird nur ein Hohlraumresonator verwendet, in den die Elektonenpakete zurückreflektiert werden. Die Elektronen werden hierbei zunächst aus der Kathode in den Resonator hinein- bzw. durch ihn hindurchbeschleunigt, durchlaufen dann eine Gegenspannung und passieren wiederum den Resonator. Analog lassen sich Klystrons mit mehreren Resonatoren (z. B. "Dreikammerklystron") herstellen. Klystrons konnen Frequenzen im Bereich einiger GHz bis ca. 100 GHz erzeugen. FOLIE 10 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Halbleiterquellen Halbleiterquellen für den Mikrowellenbereich bestehen aus Galliumarsenid (z.B. Gunndiode, Impattdiode). Mit der der Verbreitung der kabellosen Informationsübertragung in WLAN-Netzen kam es zu einem Comeback der Hochfrequenztechnik auf Basis von integrierten Schaltkreisen (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuits). Basis hierfür sind Galliumarsenid Wafer, es werden jedoch zunehmend Wafer aus SiGe und Schwermetall dotierte Siliciumschichten verwendet. Im folgenden wird exemplarisch die Gunndiode erläutert (WIKI) FOLIE 11 GMBU 1.4 MW-TECHNIK MW-Generatoren Die Gunndiode Grundlage dieser Diode ist der 1963 von John B. Gunn entdeckte Effekt. Die Gunn-Diode besteht nur aus n-dotierten Halbleiterbereichen, meist aus GaAs, GaN oder Indiumphosphid. Die Bereiche sind hintereinander angeordnet und unterschiedlich stark dotiert. Im Material wird eine Art Falle für Elektronen gebildet - es entsteht ein negativer differenzieller Widerstand, der bei geeigneter Beschaltung dazu führt, dass Elektronen sich aufstauen und in Schüben (wie Wellen) durch die Diode wandern. Dies geschieht sehr schnell. Gunndioden können Frequenzen von 1,5 GHz bis ca. 10 THz erzeugen. Die Effizienz ist dabei relativ groß, die Leistung dagegen gering man kann nur bis etwa 200 - 300 mW mit einem Gunn-Oszillator erreichen. Ein Gunn-Oszillator besteht aus nur wenigen Bauteilen - dem Gunn-Element und einem Schwingkreis. Gunndioden sind relativ preiswert und werden in vielen Bereichen als kleine Sender ohne Nachverstärkung eingesetzt: - Sender zur Mikrowellen-Datenübertragung - kleine Radargeräte zur Zugangskontrolle oder Abstandswarnung an KFZ - Amateurfunk-Sender FOLIE 12 GMBU
