www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Yürüyen Dalga Tüpleri

« Yürüyen Dalga Tüpleri » içeriği
  1. Fiziksel yapısı
    1. Elektron tabancası
    2. Manyetik odaklayıcı
    3. Manyetik odaklayıcı
    4. Toplayıcı
  2. Çalışma prensibi
  3. Elektriksel özellikleri
    1. Gücün yükseltilmesi
    2. Gücün yükseltilmesi
    3. Gürültü katsayısı
  4. Gürültü katsayısı
  5. Tarihçe

Yürüyen Dalga Tüpü nedir?

Resim 1: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı: ① Elektron tabancası; ② Odaklayıcı mıknatıs; ③ Gecikme hattı (burada bir spiral); ④ Toplayıcı; (etkileşimli resim)

Resim 1: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı: ① Elektron tabancası; ② Odaklayıcı mıknatıs; ③ Gecikme hattı (burada bir spiral); ④ Toplayıcı; (etkileşimli resim)

Resim 1: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı: ① Elektron tabancası; ② Odaklayıcı mıknatıs; ③ Gecikme hattı (burada bir spiral); ④ Toplayıcı; (etkileşimli resim) (Etkileşimli resim)

Helix Kollektor Kollektor Heizung Kathode Kathode Gitter Anode Attenuator Input output

Yürüyen Dalga Tüpleri

Yürüyen Dalga Tüpleri (YDT) (Traveling Wave Tube, TWT) yükselteç olarak kullanılan vakum tüplerdir. Gürültü seviyesi düşük, kazancı yüksek ve geniş bantlıdır. Bir Yürüyen Dalga Tüpü iki oktavı aşan bir bant genişliğinde, 40 ila 70 dB i bulan bir kazanca sahiptir.[1] Yürüyen Dalga Tüpleri 300 MHz ila 100 GHz arasındaki frekans bölgesinde çalışacak şekilde tasarlanmıştır.[1] Çıkış gücü birkaç Watt ila 10 MW arasındadır. Yürüyen Dalga Tüpleri esas olarak bir gerilim yükseltecidir. Klistron ve Yürüyen Dalga Tüpleri doğrusal ışıma tüpleridir ve bir özel grup olarak Hız Kontrol Tüpleri içinde yer alırlar. Yürüyen Dalga Tüplerinin iki ana tipi vardır:

Her iki tipin çalışma prensibi aynıdır ve Resim.1 de gösterilen ana modüller her iki grupta da bulunur. Bununla beraber temel fark gecikme hattının yapısında ortaya çıkar. Yüksek bant genişliği ve düşük bir gürültü seviyesine sahip olması bakımından Yürüyen Dalga Tüpleri mikro dalga bölgesi için ideal yükselteçlerdir. Düşük gürültü seviyesine sahip oluşu nedeniyle radar alıcılarında, radar göndericilerinde ve uydu iletişiminde çok sık kullanılırlar.

Fiziksel yapısı

Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı Resim.1 de gösterilmiştir. Yürüyen Dalga Tüpü dört bölümden meydana gelir:

  1. Elektron tabancası, elektronları yaratır ve tüpün ekseni yönünde hızlandırır;
  2. Odaklayıcı sabit mıknatıs, elektron demetinin ekseni boyunca bir manyetik alan yaratır ve elektron demetini odaklar;
  3. Etkileşim devresi olarak gecikme hattı, örneğin bir tüp içerisindeki tel spiral, yüksek frekansta düşük bir empedans gösterir;
  4. Toplayıcı. Elektron demeti gecikme hattını geçtikten sonra toplayıcıda frenlenir ve tüketilir.

Yürüyen Dalga Tüpleri tüm parçaları bir yüksek vakumlu cam- ya da seramik kap içindedir. Giriş ve çıkışlar, dalga kılavuzları ya da eşeksenel kablolarla yapılır. Keza, yönlü bağdaştırıcı ile bir galvanik yalıtım yapmak mümkündür.

Resim 2: Odaklayıcı mıknatısın türleri: a) Elektro mıknatıs; b) Sabit mıknatıs; c) Periyodik sabit mıknatıs

Resim 2: Odaklayıcı mıknatısın türleri: a) Elektro mıknatıs; b) Sabit mıknatıs; c) Periyodik sabit mıknatıs

Elektron tabancası

Burada kullanılan elektron tabancasının yapısı katot ışınlı tüplerin tümünde kullanılan yapıya benzer. Genellikle bir ısıtıcı bobin ile yeterli sayıda elektron salınımı sağlamak için 850° ila 1 100° C arasında bir sıcaklığa kadar dolaylı olarak ısıtılan bir katottan meydana gelir. Katodun etrafına, katotla aynı gerilime ya da -20 V DC gibi biraz daha düşük bir negatif gerilime sahip ısıtılmamış bir plaka konulur. Böylece elektronların anot yönüne doğru hareketlenmesi sağlanır. Bir ya da daha fazla sayıda anot, elektronların yararlanabilir bir hıza çıkmasını sağlarlar. Elektronlar, anodu bir delik ya da ızgara içinden geçerler ve gecikme hattı boyunca yollarına devam ederler.

Meydana gelen tehlikeli iyonize ışımanın yayılmaması için elektron tabancası bir koruyucu kılıf içine alınmıştır.

Manyetik odaklayıcı

Elektron demeti ve gecikme hattının çevresini saran manyetik odaklama aygıtı elektronları çok ince bir demete dönüştürür. Bu mıknatıs, bir sabit mıknatıs ya da elektromıknatıs olabilir (Resim. 2a ya bakınız). Sabit mıknatıs, herhangi bir besleme kaynağına ihtiyaç duymaması ve daimi olarak bir manyetik alan sağlaması gibi bir üstünlüğe sahiptir. Sakıncası ise; Yürüyen Dalga Tüplerinin gücünün en uygun kullanılabilmesini sağlayan manyetik akı değerinin ayarının mümkün olmamasıdır.

Eğer gerekli tek bir sabit mıknatıs yerine, birden daha fazla sayıda daha küçük mıknatıs kullanılırsa (Resim.2b ye bakınız). Yürüyen Dalga Tüpü yükseltecinin toplam ağırlığı önemli miktarda azalır.

Mıknatıs ve tüp arasında ekranlama amacıyla bir alüminyum mahfaza bulunur. Manyetik alandan etkilenmemesi için bu mahfazanın imalatında ferromanyetik bir malzeme kullanılmaz. Harici parazitik manyetik alanlar, dâhili manyetik alanlarının dağılımını bozabilir ve hatta bunun sonucunda Yürüyen Dalga Tüpleri kullanılamazlar.

YF-giriş
sinyali
Zayıflatıcı
malzemenin etkisi
Spiralde
indüklenen gerilim
Elektronların
yoğunluk modülasyonu

Resim 3: Spiralde kuvvetlendirilmiş YF-sinyali

YF-giriş
sinyali
Zayıflatıcı
malzemenin etkisi
Spiralde
indüklenen gerilim
Elektronların
yoğunluk modülasyonu

Resim 3: Spiralde kuvvetlendirilmiş YF-sinyali

Geciktirme hattı

Elektron demeti içindeki elektronlar ışık hızından çok daha düşük bir hızla hareket ederler. Bu hız, 4 ila 120 kV arasında değişen katot gerilimine bağlı olarak ışık hızının yaklaşık % 10 ila 50 si civarındadır. Bir hattaki elektromanyetik dalgaların yayılma hızı ışık hızının yaklaşık % 66 ila 80 i arasındadır. Bu nedenle gecikme hattının, yüksek frekanslı dalgayı elektronların hızına indirilmesini sağlaması gerekir. Bu daima dolambaçlı yolların yardımıyla gerçekleşir. Bu dolambaçlı yollar spiral ya da zikzak biçimli olabilir.

Toplayıcı

Toplayıcı da Yürüyen Dalga Tüplerinin bir elektrotudur. Katot çok yüksek bir negatif gerilime bağlıyken, toplayıcı genellikle toprağa bağlıdır. Bu bakımdan bir anot gibi hareket eder. Eğer Yürüyen Dalga Tüplerine herhangi bir giriş gerilimi uygulanmamışsa, toplayıcı, elektron demetinin tüm enerjisini soğurabilmelidir. Bu nedenle çok yüksek çıkış gücüne sahip Yürüyen Dalga Tüplerindeki toplayıcı cebri soğutulmalıdır. Bu bir hava soğutma ya da sıvı soğutma olabilir. Dünyada kullanılan Yürüyen Dalga Tüplerinler de bu soğutma radyant sistemle yapılmaktadır. Çok yüksek güçlü Yürüyen Dalga Tüplerinler de Resim.1 de görüldüğü gibi toplayıcı birkaç kademeli yapılmaktadır.

Hızlanma
Frenleme
Öbekleşme

Resim 4: Elektronların hız modülasyonu ve ardından öbekleşmesi

Hızlanma
Frenleme
Öbekleşme

Resim 4: Elektronların hız modülasyonu ve ardından öbekleşmesi

Çalışma prensibi

Bir yüksek frekanslı giriş gerilimi, ilaveten bir elektrik alanı meydana getirir. Bu elektrik alanı, belirli elektronları etkilemeye yetecek bir süre kadar gecikme hattında kalır. Salınımın pozitif yarı dalgasında elektronlar ilaveten hızlanır, buna karşılık negatif yarı dalga süresince frenler. Bu olaya Yürüyen Dalga Tüplerinin hız modülasyonu denir. Şimdi, yavaş elektronlar daha hızlı elektronlar tarafından yakalanır. Bunu takiben elektronlar bir demete dönüşür (Resim.4 e bakınız).

Sonuç olarak elektromanyetik dalgalar enerjilerini elektronlara bırakırlar. İlaveten bir zayıflatıcı etkili olur ve elektromanyetik dalganın enerjisi hemen hemen sıfıra kadar iner. Bu zayıflatıcı aynı zamanda geriye yansıyan dalgaları da önler ve süreç kendiliğinden başlayamaz (not self-excited).

Resim 5: Elektronların spiralin tellerinde yer değiştirmesi

Resim 5: Elektronların spiralin tellerinde yer değiştirmesi

Buna rağmen elektronların paketlenme süreci yine devam eder. Elektronların hızı hâlâ birbirinden farklıdır, böylece paketlenme kuvvetlenir. Paketlenme elektron demetinin en başından en sonuna kadar etkindir ve spiralin bitiminde elektron paketi en büyük biçimini alır. Elektron paketi enerjisini şimdi gecikme hattına bırakır. Elektronlar spiralin telleri boyunca hareketlenir, böylece bir yeni salınım meydana gelir. Bu salınım sürekli yükseltilir.

Gecikme hattındaki salınımlar giriş sinyaline göre −90° bir faz farkıyla gerçekleşir. Elektron demetindeki elektronlar enerjilerini salınımlara bırakmasını takiben yavaşlarlar. Bazı Yürüyen Dalga Tüplerinde tüpün sonuna doğru spiralin çapı girişe göre daha dardır, böylece bu daha düşük hız dengelenir.

Elektriksel özellikleri
Paus
Pein

Resim 6: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün karakteristikleri

Caractéristique des tubes à ondes progressives
Paus
Pein

Resim 6: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün karakteristikleri

Gücün yükseltilmesi

Yürüyen Dalga Tüplerinde gerçekte sadece tek bir gerilim yükseltme olayı gerçekleşir. Hat empedansının sabit olması nedeniyle daha yüksek bir gerilim daha yüksek bir akım yaratır ve her ikisi birlikte daha büyük bir güç meydana getirir. Ulaşılabilir kazanç katsayısı büyük ölçüde aşağıdaki etmenlere bağlıdır:

Resim. 6 da görüldüğü gibi küçük giriş güçleri için kazanç doğrusal bölgede olup, yaklaşık 26 dB civarındadır. Eğer giriş gücü daha arttırılırsa bu kez çıkış gücü artmayacak, yani kazanç katsayısı düşecektir. Daha da kuvvetli giriş sinyallerinde bir sonraki katı (örneğin, karıştırma katını) doyuma sürüklemeyi engelleyecek bir sınırlama etkisi ortaya çıkar.

Bant genişliği

Yürüyen Dalga Tüplerinde kazanç, bir gecikme hattı üzerinde ilerleyen dalga ile elektron demetinin karşılıklı etkileşmesi ile gerçekleştiğinden, ulaşılabilir bant genişliği için öncelikle spiralin frekans tepkisi (frequency response) sorumludur. Eğer hat uyumlu çalıştırılırsa bu hat üzerinde sadece frekanstan-bağımsız bir alan dağılımı gerçekleşir. Bu uyum sadece bir sınırlı frekans bandı içinde sürdürülebilir, bir spiralde bu frekans bandının aralığı iki oktavdan daha fazla olabilir. Eğer bu hat ilaveten tınlaşım yapabilen parçalara da sahipse, o zaman bant genişliği değeri bu parçaların frekans tepkisine de bağlıdır. Bu nedenle, bağlaşımlı çınlayıcılardan (Coupled-Cavity) meydana gelen gecikme hatlı Yürüyen Dalga Tüplerinde bant genişliği Merkez Frekansın (intermediate frequency) sadece % 10 ila 20 si arasındadır.

Gürültü katsayısı

Yürüyen Dalga Tüplerinin, gürültü katsayısı düşük bir YF-ön yükselteç olarak bir radar alıcısında kullanılması durumunda burada en öne çıkan parametre gürültü katsayısı (noise figure) olur. Bu parametre özellikle alıcının hassasiyeti ve radarın en büyük menzilini üzerinde çok önemli bir etkisi vardır. Günümüzde kullanılan Yürüyen Dalga Tüplerinde gürültü katsayısı 3 ila 10 dB arasındadır. Bir Yürüyen Dalga Tüpünün özgün gürültüsünün kaçınılamayan üç nedeni şunlardır:

Gürültü katsayısı büyüklüğü, Yürüyen Dalga Tüplerinin çoğu besleme gerilimiyle doğrudan bir ilişkisi vardır. Örneğin, elektrik geriliminin en uygun değerinden sadece % 5 bile sapması gürültü katsayısını iki misli arttırır.

Contra-wound Helix slow wave structure

Resim 7: Ters-sarımlı spiral tip gecikme hattı

Gecikme hattının değişik yapıları

Bahsetmiş olduğumuz spiral biçimli geciktirme hattı yerine başka yapıdaki geciktirme hatları kullanılabilir. Bunlar Şerit-Halka Dizisi (Ring-Bar), Halka-Dizisi (Ring-Loop), bağlaşımlı çınlayıcılardan meydana gelen Bağlaşımlı-Çınlayıcı (Coupled-Cavity) tipi geciktirme hatlarıdır. Seçilen gecikme hattının tipi kazanç, çıkış gücü ve bant genişliği gibi parametrelerin erişilen değerleri üzerinde çok büyük etkisi vardır.

Ters-sarımlı spiral gecikme hattı

Şerit-halka dizisi (Ring-Bar) ve Halka-dizisi (Ring-Loop) tipi gecikme hatlarının geliştirilmesindeki ara adım Ters-sarımlı spiral gecikme hattıdır (Resim.7 ye bakınız). Bu yapıda ters yönde sarılmış iki adet spiral yer alır. Her iki spiralin aynı boyutlarda olması gerekir. Bu iki spiral kesiştiği noktalarda birbiriyle temas eder. Bu tür gecikme hattı ters dalgalara karşı daha az hassastır ve dolayısıyla daha yüksek gerilim ve akım gerçekleşebilir, bunun bir sonucu olarak daha yüksek çıkış gücü ortaya çıkar. Sakıncası ise basit tip spirale göre bant genişliğinin daha düşük olmasıdır.

Halka-dizisi tip gecikme hattı
Ring-Loop slow wave structure

Resim 8: Halka-dizisi tip gecikme hattı

Bir Halka-dizisi tip gecikme hattı şeritlerle bağlanmış eş merkezli halkalardan meydana gelir. Bu aygıtın klasik spiralli tip Yürüyen Dalga Tüplerine göre gücü daha fazladır, ancak merkez frekansın sadece % 5 ila % 15 i aralığında değişen çok daha küçük bant genişliğine sahiptir ve keza halka yüzeylerin enine kapasitansı (transverce capacitance) nedeniyle sınır frekansı yaklaşık 18 GHz dir.

Çalışma koşulları altında öne çıkan özellikleri yüksek bağlaşım empedansı ve harmoniklerin daha kolay oluşabilmesidir. Halka-dizisi tip gecikme hattına sahip Yürüyen Dalga Tüpleri 40 ila 60 dB gibi yüksek kazançlara sahiptir. Mekaniksel yapısı biraz daha küçüktür, daha yüksek işletme gerilimi altında çalışabilir, aynı zamanda ters dalgalar sonucu oluşan kendiliğinden-uyartım (self-excitation) tehlikesi daha azdır.

Ring-Bar slow wave structure

Resim 9: Şerit halka dizisi tip gecikme hattı

Şerit-halka dizisi tip gecikme hattı

Şerit halka-dizisi tipi Yürüyen Dalga Tüpleri ters-sarımlı spiralden elde edilmiştir ve halka-dizisi tipi Yürüyen Dalga Tüpleri ile aynı karakteristiklere sahiptir. Üretimi basittir, bir bakır boru lazerle hassas işlenerek imal edilebilir.

Coupled-cavity slow wave structure

Resim 10: Bağlaşımlı-çınlayıcı (coupled-cavity) tip gecikme hattı

Bağlaşımlı-çınlayıcı (Coupled-cavity) tip gecikme hattı

Böyle bir gecikme hattı dolambaçlı katlanmış, her bir katlamada uyum (adaptation) için bir ağzın (orifice) bulunduğu bir dalga kılavuzu gibi düşünülebilir. Böyle bir yapıdaki her bir kovuk diğer kovukla bağlaşmıştır. Tınlaşım kovukları bir iletim hattı ile birbirine bağlaşmıştır. Bu aslında yayılma hızlarının uyarlanması için kullanılan bir dolambaçlı yoldur.

Bağlaşımlı-çınlayıcı Yürüyen Dalga Tüplerinde gecikme hattı olarak, elektron akımının karşılıklı yarıklar içinden geçtiği ve bunların bir bağlaşımlı hat meydana getirdiği, ayarlanabilir kovuklu çınlayıcıları kullanırlar. Resim.10 da mavi renkle gösterilen YF-hattı, çınlayıcılarda zikzak bir yol izleyerek bağlaşım yarıklarından geçer ve böylece kırmızı renkle gösterilen elektron akımı içten ilerler.

Yüksek kaliteli her bireysel çınlayıcı ile bağlaşımlı-çınlayıcı tip Yürüyen Dalga Tüplerinin gücü oldukça artar, üst sınır frekansı daha iyileşir, fakat frekansa bağımlı çınlayıcıları nedeniyle bant genişliği çok dardır. Bağlaşımlı-çınlayıcı Yürüyen Dalga Tüpleri yaklaşık 25 kW bir sürekli güçte 100 kW lık bir darbe gücüne ulaşırlar.

Yürüyen Dalga Tüplerin resimleri

Resim 11:
HADR Radarında kullanılan yüksek güçlü Yürüyen Dalga Tüpü VTR 572B

Resim 12: P-37 “Bar Lock” Rus radarında kullanılan düşük güçlü Yürüyen Dalga Tüpü UV-1B (Kiril alfabesi ile: УВ-1Б) (Büyütülmüş kısım içinde spiralin 20 turu yer almaktadır.)

Kaynak:

  1. Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Travelling Wave Tubes'', (Eğitim materyali ile birlikte), Mart 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2