www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Amplificatorul cu câmpuri încrucişate (Amplitronul)

Catod
intrare pe
ghid de
undă
ieşire pe
ghid de
undă
bloc anodic cu un număr
impar de cavităţi rezonante
bloc atenuator

Figura 2: Exemplu de traiectorii cicloide ale electronilor într-un amplificator cu câmpuri încrucişate

Catod
intrare pe
ghid de
undă
ieşire pe
ghid de
undă
bloc anodic cu un număr
impar de cavităţi rezonante
bloc atenuator

Figura 2: Exemplu de traiectorii cicloide ale electronilor într-un amplificator cu câmpuri încrucişate

Amplificatorul cu câmpuri încrucişate (Amplitronul)

Figura 1: Amplificator cu câmpuri încrucişate tip L–4756A, răcit cu lichid

Figura 1: Amplificator cu câmpuri încrucişate tip L–4756A, răcit cu lichid

În literatura de specialitate se întâlnesc o serie de denumiri pentru amplificatoarele cu câmpuri încrucişate:

Construcţia amplificatorului cu câmpuri încrucişate

Amplificatoarele cu câmpuri încrucişate sunt tuburi amplificatoare de frecvenţă foarte înaltă de bandă largă, ce pot fi folosite şi ca oscilatoare (Stabilotronul). Ele fac parte din categoria tuburilor cu modulaţie de viteză. Aceste amplificatoare sunt realizate şi funcţionează similar cu magnetroanele şi sunt capabile să lucreze la puteri mari, având un randament ridicat. Ca şi magnetroanele, amplificatoarele cu câmpuri încrucişate sunt formate dintr-un bloc anodic cu o serie de cavităţi rezonante dispuse concentric în jurul unui catod. În exteriorul tubului este dispus un magnet permanent. Diferenţa faţă de magnetroane constă în prezenţa unei intrări şi în faptul că au un număr impar de cavităţi rezonante. Aceste cavităţi rezonante lucrează ca o linie de întârziere: oscilaţiile dintr-o cavitate rezonantă vor excita cavitatea următoare. Astfel, oscilaţiile de frecvenţă foarte înaltă FFI vor fi dirijate de la intrare către ieşire.

Funcţionarea amplificatorului cu câmpuri încrucişate

Liniile de câmp electric şi magnetic sunt perpendiculare între ele, de unde şi denumirea de „câmpuri încrucişate”. În absenţa unui semnal FFI de intrare, electronii se vor deplasa sub influenţa combinată a câmpului electric (tensiunea anodică) şi a celui magnetic (produs de obicei de un magnet permanent puternic), având traiectorii sub formă de cicloidă, ca în figura 2. (Această situaţie trebuie evitată în practică, deoarece în lipsa unui semnal la intrare amplificatorul va genera un nivel ridicat de zgomot.)

eelectronii sunt
acceleraţi suplimentar
de oscilaţiile de FFI
electronii sunt
frânaţi
de oscilaţiile
de FFI

Figura 3: Semnalul de intrare provoacă excitaţia primei cavităţi rezonante

electronii sunt
acceleraţi suplimentar
de oscilaţiile de FFI
electronii sunt
frânaţi
de oscilaţiile
de FFI

Figura 3: Semnalul de intrare provoacă excitaţia primei cavităţi rezonante

Dacă la intrarea amplificatorului se va aplica un semnal de FFI, acesta va excita prima cavitate rezonantă (figura 3), în aceasta apărând oscilaţii de aceeaşi frecvenţă cu semnalul de intrare. Între pereţii fantei cavităţii va apărea o diferenţă de potenţial ce va oscila cu aceeaşi frecvenţă. Sub influenţa câmpului electric oscilant produs de această diferenţă de potenţial electronii ce vor trece prin dreptul cavităţii vor fi acceleraţi sau frânaţi, în funcţie de sensul liniilor de câmp electric. Va rezulta astfel o diferenţă de viteză între electroni (modulaţia de viteză). Electronii mai rapizi îi vor ajunge din urmă pe cei lenţi, formând grupări în spaţiul de interacţiune dintre anod şi catod (modulaţia de densitate). Grupările de electroni vor lua forma unor „spiţe” care se rotesc în spaţiul de interacţiune. Spre deosebire de magnetron, rotirea „spiţelor” nu va fi completă, fiind întreruptă din cauza numărului impar de cavităţi (ploaritatea inversă a ultimei cavităţi, cea dintre intrare şi ieşire). Pentru evitarea unei reacţii negative, în interiorul ultimei cavităţi este introdus un bloc atenuator de grafit, care decuplează intrarea de ieşire.

Oscilaţiile din prima cavitate au o putere redusă. Dar grupările de electroni vor trece prin dreptul cavităţilor şi îşi vor modifica energia sincron cu oscilaţiile de FFI. Electronii se vor grupa din ce în ce mai puternic, iar grupările vor trece prin dreptul cavităţilor în momentul în care câmpul electric este frânant, cedând energie cavităţii. Oscilaţiile vor fi din ce în ce mai puternice de la o cavitate la alta, rezultând în acest fel amplificarea semnalului de FFI. Când ajung la cavitatea rezonantă de ieşire electronii vor ceda întreaga energie cavităţii, fiind colectaţi de anod.

Banda de frecvenţe a amplitroanelor este de circa ± 5 % faţă de frecvenţa centrală. Orice semnal cu frecvenţa cuprinsă între aceste limite va fi amplificat. Amplitroanele pot avea puteri de ieşire de câţiva megawaţi în impulsuri, sau de zeci de kilowaţi în regim continuu, cu un randament de peste 70%. Pentru ca funcţionarea amplificatoarelor cu câmpuri încrucişate să se facă pe moduri cu eficenţă ridicată, în construcţia lor sunt prevăzute conductoare pentru fixarea potenţialelor, ce unesc porţiunile blocului anodic, similare cu cele utilizate la magnetroane.

Figura 4: Interacţiunea dintre câmpul din cavitatea rezonantă şi „spiţele” de electroni

Figura 4: Interacţiunea dintre câmpul din cavitatea rezonantă şi „spiţele” de electroni

Figura 5: „Spiţele” de electroni din amplificatorul cu câmpuri încrucişate

Figura 5: „Spiţele” de electroni din amplificatorul cu câmpuri încrucişate

Aplicaţii ale amplificatoarelor cu câmpuri încrucişate

Datorită avantajelor lor, cum sunt banda suficient de largă, randamentul ridicat şi posibilitatea de a lucra la puteri mari, amplitroanele sunt folosite într-un număr mare de aplicaţii în echipamentele electronice de frecvenţă foarte înaltă: sisteme radar şi de telecomunicaţii. În radiolocaţie, ele sunt folosite ca amplificatoare de putere în etajele finale de amplificare ale emiţătoarelor. Amplificatoarele cu câmpuri încrucişate asigură amplificări cuprinse între 3 şi 20 dB.

Amplificatoarele utilizate în emiţătoarele radar de mare putere trebuie să aibă o bandă largă şi o amplificare a semnalelor fără distorsiuni. În primele etaje de amplificare sunt folosite tuburi cu undă progresivă, iar în etajele finale amplitroane. Emiţătoarele moderne folosesc în primele etaje de amplificare amplificatoare cu tranzistoare („solid-state”). Emiţătoarele cu cel puţin trei etaje de amplificare utilizează amplificatoare cu câmpuri încrucişate începând cu al treilea etaj. Atât tuburile cu undă progresivă cât şi amplitroanele au amplificarea liniară într-o gamă destul de largă de frecvenţe.

Un alt avantaj al utilizării amplitroanelor în etajele finale ale emiţătoarelor este particularitatea acestora că în lipsa alimentării amplitronului energia trece totuşi prin tub, fără însă a fi amplificată. Dacă tubul nu este alimentat, el funcţionează ca un segment de ghid de undă. Astfel, dacă se doreşte reducerea puterii de emisie, atunci se poate decupla alimentarea ultimului amplitron, şi apoi a celui dinainte. În plus, aceasta permite funcţionarea emiţătorului chiar şi după defectarea amplitronului, singurul dezavantaj fiind reducerea puterii de emisie.

Tendinţele actuale de realizare a unor sisteme radar multifuncţionale, cu reţele de antene active şi formarea digitală a caracteristicii de directivitate, conduc la utilizarea din ce în ce mai rară a amplificatoarelor cu câmpuri încrucişate în sistemele radar.

„Amplitron” este o denumire înregistrată pentru amplificatoarele cu câmpuri încrucişate produse de firma Raytheon. Ele au fost numite astfel de către William C. Brown pe când lucra la realizarea unui amplificator care să funcţioneze pe principiul magnetronului.