www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Tubul cu undă progresivă

132 cm

Figura 1: TUP de putere mare tip VTR 572B

132 cm

Figura 1: TUP de putere mare tip VTR 572B

132 cm

Figura 1: TUP de putere mare tip VTR 572B

Tubul cu undă progresivă

Tuburile cu undă progresivă, prescurtat TUP (în engleză: TWT - traveling wave tubes), sunt tuburi speciale de microunde folosite ca amplificatoare de bandă largă. Ele formează o categorie specială a tuburilor ce folosesc modulaţia de viteză a electronilor. Datorită factorului de zgomot redus, aceste tuburi sunt utilizate ca amplificatoare de frecvenţă foarte înaltă în receptoare. În funcţie de aplicaţii, TUP se împart în două categorii:

În continuare vor fi prezentate:

38,7 cm

Figura 2: TUP rusesc tip UV-1B (chirilice: УВ-1Б)

38,7 cm

Figura 2: TUP rusesc tip UV-1B (chirilice: УВ-1Б)

38,7 cm

Figura 2: TUP rusesc tip UV-1B (chirilice: УВ-1Б)

Realizarea constructivă şi funcţionarea

Tuburile cu undă progresivă sunt amplificatoare de bandă largă, cu zgomot redus şi amplificare mare, folosite în domeniul microundelor. Ele au coeficienţi de amplificare ce pot depăşi 40 dB, şi benzi de frecvenţe mai mari de o octavă. (O bandă de frecvenţe de 1 octavă este aceea în care frecvenţa maximă are valoarea dublă faţă de cea minimă.) Tuburile cu undă progresivă lucrează la frecvenţe începând cu 300 MHz şi până la frecvenţe de peste 50 GHz. TUP este în principal un amplificator de tensiune. Banda largă de frecvenţe şi factorul de zgomot redus fac din TUP un element de bază în construcţia amplificatoarelor de frecvenţă foarte înaltă din compunerea sistemelor radar, dar şi a echipamentelor de telecomunicaţii.

rezonatori de cuplaj
spirală
atenuator
colector
tun de electroni
fascicul de
electroni
intrare semnal RF
ieşire semnal RF

Figura 3: Realizarea constructivă a unui TUP

rezonatori
de cuplaj
spirală
atenuator
colector
tun de electroni
fascicul de
electroni
intrare semnal RF
ieşire semnal RF

Figura 3: Realizarea constructivă a unui TUP

rezonatori
de cuplaj
spirală
atenuator
colector
anod
tun de electroni
fascicul de
electroni
intrare semnal RF
ieşire semnal RF

Figura 3: Realizarea constructivă a unui TUP

semnalul de intrare
influenţa
atenuatorului
semnalul indus în spiră
gruparea
electronilor

Figura 4: Amplificarea semnalului de-a lungul spiralei

semnalul de intrare
influenţa
atenuatorului
semnalul indus în spiră
gruparea
electronilor

Figura 4: Amplificarea semnalului de-a lungul spiralei

În figura 3 sunt prezentate elementele constructive ale unui TUP. Tubul cu undă progresivă conţine un tun electronic cu rolul de a genera electroni şi a-i accelera într-un fascicul îngust ce se deplasează de-a lungul tubului. Sistemul magnetic ce înconjoară tubul produce un câmp magnetic care focalizează electronii într-un fascicul foarte îngust. Spirala reprezintă o linie de transmisie prin care circulă energia de frecvenţă foarte înaltă. Rolul ei este acela de linie de întârziere, cuscopul de a micşora viteza de propagare a undei electromagnetice de-a lungul tubului. În acest fel, viteza undei devine comparabilă cu cea a electronilor din fascicul, asigurându-se interacţiunea dintre undă şi electroni. Semnalul de frecvenţă foarte înaltă este introdus în spirală şi extras la capătul acesteia prin intermediul unor cuploare, dacă intrarea şi ieşirea sunt realizate pe ghid de undă, respectiv prin conectare directă cu spirala, dacă intrarea şi ieşirea sunt pe cablu coaxial. Atenuatorul din centrul tubului împiedică eventualele reflexii ale semnalului să se propage prin spirală în sens invers.

În figura 5 sunt prezentate liniile de câmp electric ale undei ce se propagă de-a lungul spiralei, linii ce sunt paralele cu fasciculul de electroni.


Figura 5: Modulaţia de viteză a electronilor
şi o fotografie de detaliu a spiralei
(porţiunea măsurată cuprinde 20 de spire)


Figura 5: Modulaţia de viteză a electronilor
şi o fotografie de detaliu a spiralei
(porţiunea măsurată cuprinde 20 de spire)

Detailfoto der Wendel einer UW-3
Figura 5: Modulaţia de viteză a electronilor şi o fotografie de detaliu a spiralei
(porţiunea măsurată cuprinde 20 de spire)

În urma interacţiunii între liniile de câmp şi fasciculul de electroni rezultă modulaţia de viteză a electronilor. Modulaţia de viteză are ca efect gruparea electronilor, adică modulaţia de densitate. Gruparea începe chiar de la începutul spiralei, atingând maximul la capătul acesteia. Grupările de electroni vor ceda energie undei dacă în dreptul acestor grupări liniile de câmp au un efect de frânare a electronilor. Tubul cu undă progresivă este astfel construit încât numărul de electroni care cedează energie undei este mult mai mare decât al acelora care primesc energie de la undă. Astfel, unda care se propagă prin spirală primeşte permanent energie de la grupările de electroni, rezultând amplificarea acesteia.

Caracteristicile TUP
Pieşire
Pintrare

Figura 6: Caracteristica unui TUP

Caractéristique des tubes à ondes progressives
Pieşire
Pintrare

Figura 6: Caracteristica unui TUP

Amplificarea în putere a unui tub cu undă progresivă depinde de următorii factori:

După cum se observă din figura 6, amplificarea unui TUP are o caracteristică liniară de aproximativ 26 dB la puteri mici ale semnalului de intrare. La creşterea puterii la intrare, puterea semnalului de ieşire nu se măreşte la fel de mult, valoarea amplificării reducându-se. Apare astfel un fenomen de limitare, care previne suprasaturarea cu un semnal puternic a următorului etaj (ex. mixer). Un dezavantaj al tuburilor cu undă progresivă îl reprezintă randamentul lor relativ redus.

Datorită faptului că amplificarea TUP este rezultatul interacţiunii dintre fasciculul de electroni şi unda care se propagă de-a lungul spiralei, rezultă că banda de frecvenţe depinde doar de comportarea în frecvenţă a spiralei. Se pot obţine astfel benzi de frecvenţă de ordinul gigaherţilor.

Cel mai important parametru al TUP folosite ca amplificatoare de intrare în receptoare îl reprezintă factorul de zgomot, deoarece acesta determină sensibilitatea întregului receptor, şi implicit distanţa maximă de descoperire a radarului. Factorul de zgomot al TUP moderne are valori de 3 ... 10 dB. Principalele cauze ale zgomotului sunt:

Factorul de zgomot depinde şi de variaţia faţă de valorile nominale a tensiunilor de alimentare ale TUP. De exemplu, dacă tensiunile sunt mai mici cu 5% faţă de valorile nominale, factorul de zgomot se poate dubla.

Diferite tipuri de linie de întârziere

În locul spiralei se pot folosi şi alte tipuri de linii de întârziere, cum ar fi cele cu inele de cuplaj („ring-bar”, „ring loop”) sau cu cavităţi cuplate („coupled cavity”). Tipul structurii folosite depinde de parametrii doriţi ai TUP: amplificare, bandă de frecvenţă sau putere.

TUP cu linie de întârziere „Ring-Loop”
Ring-Loop slow wave structure

Figura 7: Linie de întârziere „Ring-Loop”

Aceste TUP folosesc drept linie de întârziere inele cuplate între ele prin intermediul unor bucle. Ele pot funcţiona la puteri mai mari decât TUP convenţionale (cu spirală), dar au banda de frecvenţe mai mică (5…15 %) şi o frecvenţă maximă mai redusă (18 GHz).

Principalele caracteristici ale liniei de întârziere tip „ring-loop” sunt impedanţa mare de cuplaj şi nivelul redus al armonicilor. Astfel, aceste tipuri de TUP prezintă avantajul că au amplificarea mai mare (40…60 dB), dimensiuni reduse, suportă tensiuni mai mari şi sunt mai puţin expuse apariţiei oscilaţiilor datorate undei inverse.

Ring-Bar slow wave structure

Figura 8: Linie de întârziere „Ring-Bar”

TUP cu linie de întârziere „Ring-Bar”

Acest tip de TUP au caracteristici similare cu cele tip „ring-loop”. Linia de întârziere „ring-bar” poate fi fabricată mult mai uşor, prin decuparea unui tub de cupru.

Coupled-cavity slow wave structure

Figura 9: Linie de întârziere cu cavităţi cuplate

TUP cu cavităţi cuplate

TUP cu cavităţi cuplate („coupled-cavity”) folosesc o linie de întârziere formată dintr-o serie de cavităţi rezonante cuplate între ele prin intermediul unor fante, formând o linie de transmisie cuplată. Fasciculul de electroni (reprezentat cu roşu în figura 9) este modulat în viteză în prima cavitate de către semnalul RF de intrare. Energia de frecvenţă foarte înaltă (reprezentată prin săgeata albastră) se propagă în zig-zag de la o cavitate la alta, interacţionând cu fasciculul de electroni.

Prin alegerea corectă a distanţei între cavităţi, în urma interacţiunii dintre fasciculul de electroni şi unda care se propagă de la o cavitate la alta va rezulta amplificarea puternică a undei. TUP cu cavităţi cuplate pot fi folosite la puteri mult mai mari decât cele obişnuite, dar au o bandă mai îngustă decât acestea (mai mare totuşi decât cea a clistroanelor).