Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

Figure 6.28
Conventional Invar Ku-band output multiplexer. (Courtesy of COMDEV International.)
Figure 6.29
Temperature compensated Ku-band output multiplexer. (Courtesy of COMDEV
International.)
provided as a set because the necessary dc high voltages must be applied on an
individual select basis. In some repeaters, two TWTs are paralleled and only one
power supply is provided for the matched set. An alternative term for the power
supply is the electrical power conditioner (EPC). As discussed later, the EPC must
be built for longlife operation and efficiency of conversion from low-voltage to
high-voltage dc.
A TWT is a physically linear vacuum tube that uses a narrow electron beam
guided by a shaped magnetic field, shown in the schematic in Figure 6.30. Amplifica-
tion is achieved by transferring energy from the beam to a microwave signal as it
enters at the left end and exits at the right. The electron beam is generated by the
gun (shown at the left), which consists of the heater, the cathode, and the anode.
The heater raises the temperature of the cathode to cause it to emit electrons that
are drawn off by the more positively charged anode. Like in any electron tube, the

---

230
Spacecraft and Repeater
Figure 6.30
Schematic diagram of a helix TWT.
cathode is the principal life-determining component, and great pains are taken in
its design and manufacture. TWTs use ‘‘dispenser’’ cathodes, impregnated with
low-emissivity materials that slowly diffuse to the surface, where they enhance
emission. Their temperature must be selected and maintained by the heater so the
cathode emits electrons at the proper rate without exhausting the materials during
the operating lifetime. A focus electrode surrounding the cathode aims and com-
presses the beam, much as a lens would. That reduces the stress and strain on the
cathode itself yet produces the high beam current density needed for efficient TWT
operation.
Immediately following the gun is the slow wave structure, which allows the
beam to interact with the microwave signal under amplification. The low-level
input signal enters through the port at the left and encounters a long, tightly wound
coil called the helix. Microwave energy in free space travels at the speed of light,
which is considerably in excess of the speed of the electrons in the beam. The
microwaves, which are going around the spiral helix, have their axial velocity
slowed down to a little less than that of the electron beam. The beam is kept tightly
formed within the helix by a string of permanent ring magnets. Electromagnetic
interaction of the microwave signal, which is a wave phenomenon, with the beam
causes bunching of the electrons as they move along. Ultimately, that bunching
transfers energy back to the microwave signal, adding considerable power to it.
When the signal reaches the end of the tube, the electron beam has lost the majority
of its energy of motion, while the microwave signal has become greatly amplified
in power. The attenuation section at the center of the helix is an added feature to
prevent self-oscillation and thereby stabilize TWT operation. The amplification
(gain) of the TWT is roughly proportional to its length, which is easy to see because
the interaction and transfer of energy increase as the beam and signal travel along
the slow wave structure. Efficiency is enhanced by using a tapered helix, which
means that the pitch of the helix coil is altered along its length. An output port at
the end of the helix couples the microwave power through an isolator to the output
filter.
The collector, located at the right end of the TWT in Figure 6.30, is critical
to efficient operation. It is the objective of tube operation that energy be transferred
from beam to signal, which implies that the velocity of the beam gradually reduces
as it moves toward the output end. By the time the electrons reach the collector,
they still possess considerable energy and are moving at less velocity than at the

---

6.4
Standard Repeater Elements
231
gun. Efficient operation is achieved if the electrons are collected in such a way that
their velocity is reduced to near zero before they actually hit the collector. That is
accomplished by placing a negative voltage on certain collector stages to repel the
electrons and thereby slow them down. The use of negative voltage for this purpose
is called collector depression and is done with a multiple staged collector, as shown
in Figure 6.30.
A typical high-power TWT can deliver over 70% of the dc input to RF output,
which means nearly 30% of the dc power must be given up as heat. That can pose
a challenge to the TWT and spacecraft designer, so proper measures must be taken.
An option is to use a direct-radiating collector that is exposed directly to cold
space. It turns out that about half the total heat dissipation of a TWT is at the
collector end, so that is an excellent way of dealing with the problem. The rest of
the heat must be conducted away through the base of the TWT, either through
the equipment shelf or by radiating it away using a thermal doubler. Those aspects
of thermal design are discussed in Chapter 8.
This discussion is by no means all inclusive, and an examination of the detailed
design and operation of space TWTs is beyond the scope of this book. However,
it should give the reader some idea of how a TWT works and generate an apprecia-
tion for the sophistication of the technology. Areas of critical importance include
the materials and the manufacturing processing techniques used. Those aspects
determine the physical properties of the TWT (weight and ruggedness) as well as
the lifetime and reliability of the amplifier when operating in orbit.
It is important to say a few words about the power supply that must accompany
the TWT for the purpose of providing the various voltages and currents. Examine
the typical TWT voltages in Figure 6.31 to get an appreciation for the complexity
of the design requirements. The circuitry to obtain the required voltages usually
consists of an ac oscillator, high-voltage transformers, rectifiers and capacitor-type
voltage multipliers. To provide stable operation of the TWTA, it is vital that the
voltages be held constant under all conditions of TWT signal loading and unit
temperature and throughout the lifetime of the repeater. Also, transient conditions