Mikrowellentechnik verständlich erklärt: Erzeugung, Übertragung und Kommunikation

Mikrowellenkommunikation

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit Frequenzen über 300 MHz und Wellenlängen unter 1 Meter. Die Kommunikation, die Mikrowellen als Übertragungsmedium nutzt, nennt man Mikrowellenkommunikation.

Rolle von EM-Wellen und Antennen

Bei der Mikrowellenkommunikation werden modulierte Signale über eine Sendeantenne in die Atmosphäre abgestrahlt; die Empfangsantenne fängt die Informationssignale auf. Mikrowellen hängen stark von Resonanzhohlräumen und Wellenleitern ab, in denen sie erzeugt und geleitet werden (metallische Hohlräume, die auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind – Hohlraumresonatoren). Die Übertragung erfolgt über elektromagnetische Wellen im quasi-optischen Bereich – eine Sichtverbindung (Line-of-Sight) zwischen Sende- und Empfangsantenne ist erforderlich. Beide Antennen müssen sich auf den Türmen „gegenübersehen“.

Mikrowellen (0,3–300 GHz) werden in drei Frequenzbänder unterteilt:

• UHF (Ultrahochfrequenz): 0,3–3 GHz
• SHF (Superhochfrequenz): 3–30 GHz
• EHF (Extremhochfrequenz): 30–300 GHz

Konventionelle Röhren (Induktivitäts-/Kapazitätsbilanz zwischen Elektroden, Elektronengeschwindigkeit) eignen sich nicht zur Mikrowellenerzeugung. Spezielle Röhren – Mikrowellengeneratoren – sind nötig, um Leistungen von wenigen Watt bis zu hunderten Watt zu erzeugen. Wichtige Typen: Magnetron, Klystron, Laufwellenröhre (TWT). Diese dienen als Mikrowellenoszillatoren und -verstärker. Im Folgenden wird das Magnetron detailliert erklärt.

Magnetron: Aufbau und Funktionsweise

Ein Magnetron ist eine zylindrische Diode, die als Mikrowellenoszillator in der Mikrowellenkommunikation dient – also als Mikrowellengenerator. Erfunden wurde es von den britischen Wissenschaftlern Randall und Boot.

Aufbau

Der Magnetron ist zylindrisch. Er besteht aus acht permanenten Kupfer-Anodenhohlräumen um eine beheizte Wolframkathode. Die Anzahl der Hohlräume muss gerade sein. Ihre Größe richtet sich nach der Oszillationsfrequenz. Alle Hohlräume sind bei 300° oder 450° angeordnet. Ein Koaxialkabel an einem Hohlraum koppelt die Mikrowellen aus; bei hoher Leistung dienen Wellenleiter der Signalauskopplung.

Funktionsprinzip

Das Prinzip entspricht dem der Laufwellenröhre: Hohe Mikrowellenfrequenzen entstehen durch Wechselwirkung eines radialen elektrischen Feldes und eines axialen magnetischen Feldes. Um Mikrowellen zu erzeugen, muss ein elektrisches Feld um die Röhre angelegt werden.

Das elektrische Feld bewirkt eine geradlinige Bewegung der Elektronen zwischen Kathode und Anode; das magnetische Feld eine Kreisbewegung. Durch die Überlagerung bewegen sich die emittierten Elektronen nicht geradlinig.

• Magnetfeld = 0: Elektronen fliegen direkt zur Anode (nur elektrisches Feld, X-Linie).
• Schwaches Magnetfeld: Elektronenbahn wird leicht gekrümmt (Y-Linie).
• Stärkeres Magnetfeld: Elektronen erreichen die Anode nicht, streifen sie nur und kehren zur Kathode zurück (Z-Linie) – Cut-off-Feld.
• Sehr starkes Magnetfeld: Elektronen strahlen ab und kehren zur Kathode zurück, was diese gefährlich aufheizt.

Fazit: Wird ein bestimmter Magnetfeldwert um die Magnetronröhre aufrechterhalten, lässt sich die gewünschte Mikrowellenfrequenz erzeugen. Der Magnetron liefert Frequenzen von 900 MHz bis 2,5 GHz bei 300 W bis 10 kW Leistung mit ca. 70 % Wirkungsgrad.