www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Çapraz Alan Yükselteci (Amplitron)

Katot
Dalga kılavuzu
girişi
Dalga kılavuzu
çıkışı
Tekli sayıda kovuklu
çınlayıcılardan oluşan anot
Sinyal
söndürücü malzeme

Resim 2: Bir çapraz alan yükseltecinde ki dairesel yörüngeli elektron alt kümesi

Katot
Dalga kılavuzu
girişi
Dalga kılavuzu
çıkışı
Tekli sayıda kovuklu
çınlayıcılardan oluşan anot
Sinyal
söndürücü malzeme

Resim 2: Bir çapraz alan yükseltecinde ki dairesel yörüngeli elektron alt kümesi

Çapraz Alan Yükselteci (Amplitron)

Resim 1: Taşıma kasası içinde bulunan bir su soğutmalı amplitron L–4756A

Resim 1: Taşıma kasası içinde bulunan bir su soğutmalı amplitron L–4756A

Çapraz Alan Yükselteci (amplitron) yapısı magnetrona benzer, fakat amplitron kendiliğinden salınan bir osilatör değil nispeten daha geniş bantlı bir yükselteçtir. Amplitron için teknik yazında kimi değişik görev amaçlarına yönelik farklı nitelemeler kullanılmaktadır.

Çapraz Alan Yükseltecinin yapısı

Çapraz Alan Yükselteci (sıkça Amplitron olarakta anılır) magnetron gibi, elektron akışının bir geciktirme hattı boyunca giden elektromanyetik dalga ile etkileşim yaptığı hız modülasyon tüpleri grubunda yer alır. Amplitron, magnetron gibi katottan, bu katoda eş merkezli olarak yerleştirilmiş belli sayıda kovuk çınlayıcılardan (resonance cavities) ve bir mıknatıs sisteminden oluşmuş geciktirme sisteminden meydana gelir. Çapraz Alan Yükselteci çok güçlü bir yükselteç tüpüdür ve keza harcadığı güçte yüksektir. Çapraz Alan Yükselteci magnetronıun aksine kendiliğinden salınan bir osilatör değildir, daha ziyade bir göreceli bant genişliğine sahip bir yükselteçtir. Magnetron ile çapraz alan yükselticiler arasındaki arasında ki temel fark çapraz alan yükselticilerinde tek çıkışlı kapalı gecikme sistemi olmayışıdır. Buna karşılık gecikme sisteminin bir giriş gibi de çalışan bir çıkışı vardır. Çapraz Alan Yükseltecinde gecikme sistemi yoktur ve anotta biri diğerini tetikleyen tekli sayıda çınlayıcı bulunur.

Elektronlar
daha da
hızlanıyor
Elektronlar
daha negatif
bir gerilim
altında
frenleniyorlar

Resim 3: Giriş sinyali ilk çınlayıcı da salınımları başlatıyor

Elektronlar
daha da
hızlanıyor
Elektronlar
daha negatif
bir gerilim
altında
frenleniyorlar

Resim 3: Giriş sinyali ilk çınlayıcı da salınımları başlatıyor

Çapraz Alan Yükseltecinin çalışması

Kuvvetlice negatif yüklü oksit katot ile (çoğunlukla şase gerilimine bağlı) anottaki çınlayıcı elemanların iç yüzeyleri arasında oluşan kuvvetli bir elektrik alanı katottan kopan elektronları anoda doğru ivmelendirir. Bu elektrik alanına dik yönde (çapraz sıfatı da buradan geliyor) bulunan bir kuvvetli daimi mıknatıs veya elektro mıknatıs vasıtasıyla bir manyetik alan oluşur ve bu alan bir giriş salınımının bulunmadığı durumda Resim 2 de görüldüğü gibi elektronların eş biçimli çemberler çizerek anoda doğru yol almasını sağlar. (Pratikte anot geriliminin tam, buna karşılık katot geriliminin hiç bulunmadığı bu durumdan kaçınılmalıdır. Çünkü çok kuvvetli gürültü üretirler.)

Giriş dalga kılavuzundan ilk kovuklu çınlayıcıya şimdi bir yüksek frekanslı salınım gelir (Resim 3 e bakınız), ardından bu kendi ayırma duvarına anot doğru gerilimiyle girişen bir ilave elektrik alanı uygular. Artan yüksek frekans öyle yüksektir ki, çok yavaş elektronlar dahi bir salınım periyodunda anoda ulaşabilirler. Ayırma duvarlarında oluşan ilave pozitif gerilim bir miktar elektronu daha da hızlandırır ve zıt daha negatif gerilim diğer elektronları bir miktar frenler. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalayarak anot ve katot arasındaki hacimde bir elektron kümesi oluştururlar. Katot ile anot arasında yer alan (yüksek frekanslı gerilim ile girişmiş) elektrik alanın ve bu alana dik yöndeki manyetik alanın etkisi altında elektronlar merkezden dışa doğru hareket ederler. Elektronlar bu hareketi yaparken katot etrafında bir çember çizerler, bu çemberi çizerken bir yandan da kendi etrafında dönerler. (Bu hareket biçimine İngilizce „epicycloidal” denir.) Bu elektron paketinin kovuklu çınlayıcıların yanından geçtiği sıradaki hızı çınlayıcıdan çınlayıcıya hattındaki giriş salınımının yayılma hızından biraz daha yüksektir. Böylece bu paket tümüyle frenlenir ve enerjisini çınlayıcıların sistemine aktarır. Salınımın yükseltilmesi bu şekilde sağlanmış olur.

Resim 4: Bir kovuklu çınlayıcı ile “uzay-yük-çarkı” arasındaki karşılıklı etkileşim

Resim 4: Bir kovuklu çınlayıcı ile “uzay-yük-çarkı” arasındaki karşılıklı etkileşim

Resim 5: Çapraz Alan Yükseltecinin anot ve katot arasında kalan boşlukta, bütünüyle şekillenmemiş bir bulutu andıran “at arabalarında kullanılan tekerlek” biçimindeki görüntü

Resim 5: Çapraz Alan Yükseltecinin anot ve katot arasında kalan boşlukta, bütünüyle şekillenmemiş bir bulutu andıran “at arabalarında kullanılan tekerlek” biçimindeki görüntü

Magnetron da olduğu gibi, bir bisiklet tekerinin dönerken jant tellerinin yarattığı, ancak tam bir dairenin oluşamadığı, „uzay yük çarkı” („Space Charge Wheel”) benzeri bir görüntü (Resim 4) ortaya çıkar. Son çınlayıcıya varmadan az önce elektronlar anoda ulaşırlar ve yüksek frekanslı enerjilerini bırakırlar. Bu enerji anot doğru akımı olarak ölçülebilir. Çınlayıcıların tekli sayıda olması nedeniyle enerjinin bağlaşmayan kısmı şimdi girişte bir zıt bağlaşmaya (coupling) neden olur. Bu olumsuzluğu önlemek için tüpün girişi ve çıkışı arasına 5 nolu resimde tam altta görüldüğü gibi içi söndürücü bir malzeme olan grafitle dolu bir ayrı çınlayıcı daha konulur.

Çapraz Alan Yükseltecinin bant genişliği kovuklu çınlayıcılarının biçimine bağlıdır ve merkez frekansının yaklaşık ±% 5 i civarındadır. Çıkış gücü, darbe gücünde birkaç megawatt, ortalama güçte birkaç on-kilowatt değerine ulaşabilir. İstenmeyen çalışma modlarından kaçınmak için, magnetron da olduğu gibi kısa devre halkaları takılır. Ancak magnetronun aksine bu halkalar giriş ve çıkışı doğrudan kısa devre etmez ve kesintisizde değildir.

Çapraz Alan Yükselteçlerinin kullanıldığı yerler

Bant genişliği, yüksek verimliliği ve çok yüksek güçleri yükseltme kabiliyeti gibi özellikleri nedeniyle Çapraz Alan Yükselteci hem radarlarda hem de iletişim teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu aygıt, gönderici yükselticilerinde özellikle yer almaktadır. Bunlar birbiri ardına dizilmiş tüpler halinde bulunabilirler. Gönderim sinyalinin biçiminde bir bozulma olmaması için bant genişliği sınırları içinde yükselticinin çok yüksek seviyede bir doğrusallıkla çalışması gerekir. Çapraz alan yükselteçleri 3 ila 20 dB arası nispeten düşük azami kazanç katsayılarına sahiptir. Yürüyen dalga tüpleri kazanç katsayılarının yüksek olması nedeniyle özellikle ön yükselteç olarak kullanılırlar. Çapraz Alan Yükseltecinin bir üstünlüğü de anot gerilimin kaybı durumunda giriş sinyalini çok az bir kayıpla çıkışa aktarabilmesidir. Bu özelliği nedeniyle çapraz alan yükselteci özel dolambaçlı hatlar kullanmak zorunda kullanmaya gerek kalmadan, yük aktarmada hem yedeklemeli çözümler oluşturmak hem de göreve-özel azami gücü azaltmak için kullanılır.

Bunla beraber günümüzde yarıiletken göndericiler, bir çapraz alan yükseltecinin anma darbe gücü olmasa da ortalama gücünü pekâlâ yakalayabilmektedirler. Artık daha modern, çok-işlevli radar aygıtlarında aktif antenlerin yer almaya başlaması ve sayısal demet biçimlendirme tekniklerinin kullanılması nedeniyle çapraz alan yükselteçlerinin kullanımı gittikçe azalmaktadır.
 

Not: Raytheon firmasından William C. Brown buluşunu „Amplitron“ adlandırmaktadır. Bu ad Raytheon firmasının Çapraz Alan Yükselteç serisi için kullandığı özgün bir ticari markadır.