Лампи с бягаща вълна
Какво е лампа с бягаща вълна?
Изображение 1: Основна структура на лампата с бягаща вълна: ① електронна пушка; ② фокусиращ магнит; ③ забавяща линия (тук спирала); ④ колектор;
Изображение 1: Основна структура на лампата с бягаща вълна: ① електронна пушка; ② фокусиращ магнит; ③ забавяща линия (тук спирала); ④ колектор;
Изображение 1: Основна структура на лампата с бягаща вълна: ① електронна пушка; ② фокусиращ магнит; ③ забавяща линия (тук спирала); ④ колектор; (интерактивно изображение)
Лампи с бягаща вълна
Лампите с бягаща вълна (Английски: Traveling Wave Tube, TWT, съкращението се произнася като туит) са вакуумни лампи, които се използват като нискошумови, широколентови усилватели с високо усилване. Лампата с бягаща вълна е способна да постигне коефициент на усилване от 40 до 70 дБ в честотна лента с ширина над две октави[1]. Създадени са лампи с бягаща вълна за честоти от 300 MHz до 100 гигахерца[1]. Постижимата изходна мощност варира от няколко вата до над 10 MW. Лампата с бягаща вълна по същество е усилвател на напрежение. Заедно с клистроните те образуват групата на лампите с линеен лъч в рамките на лампите с модулиране на скоростта. Съществуват два основни типа лампи с бягаща вълна:
- Лампите с бягащи вълни със спирална проводимост (спирала)
са високочувствителни, широколентови и нискошумови усилватели за радари и измервателни устройства; - лампи с бягаща вълна със забавящи линии от сдвоени резонатори (Coupled-Cavity)
се използват като усилватели на мощност или като предусилватели за мощни предаватели с амплитрони. Те имат значително по-висока изходна мощност, но по-малка широчина на честотната лента (10 … 20%).
И двете групи типове имат еднакви функционални принципи и съдържат едни и същи основни възли, както е показано на изображение 1. Те обаче се различават значително по структурата на линията на забавяне. Голямата широчина на честотната лента и ниският собствен шум правят лампата с бягаща вълна идеален усилвател в микровълновия диапазон. Поради ниския шум те често се използват в радиолокационни приемници, радиолокационни предаватели и в спътниковата комуникация.
Основна техническа структура
Основната структура на лампата с бягаща вълна е показана на изображение 1. Лампата с бягаща вълна се състои от четири компонента:
- Електронна пушка, която създава електронен лъч и го ускорява по посока на надлъжната ос на тръбата;
- Магнитно фокусиращо устройство, което създава магнитно направляващо поле по оста на електронния лъч и го фокусира в тесен лъч;
- Забавяща линия като верига на взаимодействие, например спирала от проводник, която образува линия с ниско съпротивление в тръбата за високата честота;
- Колектор Електронният лъч се забавя в колектора и се отклонява, след като е преминал през забавящата линия.
Всички тези компоненти на лампата за бягаща вълна са разположени в стъклен или керамичен корпус, в който съществува висок вакуум. Входовете и изходите могат да бъдат свързвани или чрез коаксиални кабели, или чрез вълноводни връзки. Възможно е също така да се осигури галванична изолация чрез насочващи разклонители.
Изображение 2: Варианти на магнитното фокусиращо устройство: а) електромагнит; b) постоянен магнит; c) периодични постоянни магнити
Изображение 2: Варианти на магнитното фокусиращо устройство: а) електромагнит; b) постоянен магнит; c) периодични постоянни магнити
Електронна пушка
Електронната пушка е конструирана по подобен начин на всички катодно-лъчеви тръби. Състои се от катод, обикновено с непряко нагряване, който трябва да се нагрее до температури между 850° и 1 100° по Целзий с помощта на нагревателна намотка, за да излъчи достатъчен брой електрони. Около катода е прикрепена незагрята пластина, която или има катоден потенциал, или получава малко по-отрицателно напрежение от катода. Това принуждава електроните да се насочат към анода. Един или повече аноди ускоряват електроните до използваема скорост. Електроните могат да преминат през анода през отвор или решетка и да се движат по забавящата линия като електронен лъч.
Електронната пушка е закрита, за да се предпази от йонизиращото лъчение.
Магнитно фокусиращо устройство
Магнитното фокусиращо устройство, обграждащо електронния лъч и линията на закъснение, обединява електроните в много тънък лъч. Този магнит може да бъде постоянен магнит или електромагнит (вж. изображение 2а). Предимството на постоянния магнит е, че не се нуждае от захранване и е винаги на разположение. Неговият недостатък е, че магнитният поток не може да се регулира, за да се оптимизира работата на лампата с бягаща вълна.
Ако непременно доста големият единичен магнит (вж. изображение 2б) се замени с няколко по-малки магнита, размерът и общото тегло на усилвателя с лампа с бягаща вълна могат да бъдат значително намалени (вж. изображение 2в).
Между магнита и лампата има алуминиев панел за екраниране. Не може да се използва феромагнитен материал, тъй като той влияе на магнитното поле. Външните смущаващи магнитни полета могат да повлияят на равномерността на вътрешното магнитно поле и дори да направят тръбата с бягащи вълни неизползваема. Поради тази причина лампите с бягаща вълна се доставят в извънгабаритни опаковки, за да се гарантира достатъчно разстояние от тези смущаващи полета.
сигнал
заглушаващ
слой
нажежаемата
жичка
напрежение
плътността на
електроните
Изображение 3: Усилен ВЧ сигнал в нишката
сигнал
заглушаващ
слой
нажежаемата
жичка
напрежение
плътността на
електроните
Изображение 3: Усилен ВЧ сигнал в нишката
Забавяща линия
Електроните в електронния лъч се движат много по-бавно от скоростта на светлината. В зависимост от анодното напрежение, което може да бъде между 4 и 120 kV, скоростта на електроните е от 10 до 50% от скоростта на светлината. В линия скоростта на разпространение на електромагнитна вълна е от 66 до 80 % от скоростта на светлината. Следователно линията на закъснение трябва да гарантира, че високата честота, която се разпространява в нея, се намалява до скоростта на електроните. Това винаги се прави с помощта на отклоняващи линии. Те могат да бъдат огънати като спирала или да се движат на зиг-заг.
Колектор
Колекторът също е електрод на лампата за бягаща вълна. Обикновено той е на земния потенциал, докато катодът получава изключително високо отрицателно напрежение. Поради това той действа и като анод. Ако към лампата с бягаща вълна не се подава входно напрежение, колекторът трябва да може да поеме цялата енергия на електронния лъч. Поради това при лампите с бягаща вълна с по-висока изходна мощност колекторът трябва да се охлажда принудително. Това може да се осъществи с въздушен поток или течно охлаждане. При лампите с бягаща вълна, които се използват в космоса, това се прави с радиационно охлаждане. При високопроизводителните лампи с бягаща вълна колекторът има многостепенна структура, както е показано на изображение 1.
Изображение 4: Модулиране на скоростта на електроните и последващо формиране на пакети
Изображение 4: Модулиране на скоростта на електроните и последващо формиране на пакети
Принцип на действие
Високочестотното входно напрежение генерира допълнително електрическо поле, което се забавя от забавящата линия, така че има същата скорост на разпространение като електронния лъч и следователно може да въздейства върху определени електрони за по-дълъг период от време. В положителната полувълна на трептенията електроните се ускоряват допълнително, докато в отрицателната полувълна те се забавят. Този процес се нарича модулация на скоростта в тези лампи. Сега по-бавните електрони се настигат от по-бързите електрони. Това води до образуване на пакети от електрони (вж. изображение 4).
Това обаче води до загуба на енергия на електромагнитната вълна за електроните. Освен това затихващ слой действа така, че вълната намалява енергията си почти до нула. Този затихващ слой също така предотвратява обратната връзка, която би довела до самовъзбуждане.
Изображение 5: Преместване на електроните в проводниците на нишките
Независимо от това, групирането на електроните в електронния лъч все още е в ход. Скоростта на електроните все още е различна, така че образуването на пакети се засилва. Това образуване на пакети е активно по цялата дължина на електронния лъч, а електронните пакети са най-големи в края на нишката. Сега електронните пакети предават енергия на линията на закъснение. Те изместват електроните в проводниците на нишката, така че там отново възникват колебания. Това трептене сега постоянно се усилва и амплитудата на ВЧ напрежението се повишава много над първоначалната стойност.
Трептенията в забавящата линия се генерират с фазово изместване от -90° в сравнение с входния сигнал. Електроните в електронния лъч се забавят от преноса на енергия към трептенията. Поради това в някои тръби с бягащи вълни нишката е малко по-тясна в края на тръбата, отколкото на входа, така че тази по-ниска скорост се компенсира.
Eigenschaften
Изображение 6: Характеристична крива на лампа с бягаща вълна
Изображение 6: Характеристична крива на лампа с бягаща вълна
Усилване на мощността
В лампата с бягаща вълна всъщност има само усилване на напрежението. Тъй като импедансът на линията е постоянен, по-високото напрежение води до по-висок ток, а двете заедно водят до по-висока мощност. Постижимото усилване на мощността зависи основно от следните фактори:
- конструкция (напр. дължина на спиралата)
- диаметър на електронния лъч (регулира се от плътността на потока B на фокусиращото магнитно поле)
- входна мощност (вж. изображение 6)
- напрежение на нишката UA2
На Изображение 6 е показан линеен обхват за ниска входна мощност и по този начин постоянно усилване на мощността от около 26 dB. Ако входната мощност се увеличи, изходната мощност не се увеличава повече, т.е. коефициентът на усилване намалява. Появява се ограничаващ ефект, така че следващото стъпало (напр. стъпалото на смесване) да не бъде пренаситено в случай на много силни входни сигнали.
Широчина на честотната лента
Тъй като ефектът на усилване в лампата с бягащи вълни се постига чрез взаимодействие между електронния лъч и бягащата вълна по линия на закъснението, честотното поведение на нишката е основно отговорно за постижимата ширина на честотната лента. Честотно независимо разпределение на полето върху линията се постига само ако тази линия се експлоатира по адаптиран начин. Тази адаптация може да се поддържа само в ограничен честотен диапазон, но в случая на спиралата тя все пак възлиза на стойности от порядъка на повече от две октави. Ако обаче тази линия съдържа резонансни компоненти, ширината на честотната лента зависи от тяхната честотна характеристика. Следователно при лампи с бягаща вълна със забавяща линия, състояща се от свързани резонатори (Coupled-Cavity), ширината на честотната лента е само 10 … 20% от средната честота.
Коефициент на шум
Ако лампата с бягаща вълна се използва като нискошумен радиочестотен предусилвател в радарен приемник, най-важният ѝ параметър е шумовата характеристика. Този параметър по същество определя чувствителността на приемника и следователно максималния обхват на радара. Шумовият коефициент на използваните в момента лампи с бягаща вълна е между 3 и 10 dB. Съществуват три неизбежни причини за присъщия шум на лампите с бягаща вълна:
- Статичният шум дължащ се на случайния характер на излъчването на електрони от катода;
- ефект на разпределение на тока, дължащ се на различната скорост, с която електроните напускат катода;
- Шумът на Джонсън-Никвист възниква от топлинното движение на електроните.
Големината на шумовия коефициент е пряко свързана с повечето захранващи напрежения на лампата с бягаща вълна. Например, ако напреженията на електродите се отклоняват само с 5% от оптималната стойност, шумовата Изображение ще се увеличи почти двойно.
Различни структури на забавящата линия
Описаната тук забавяща линия, състояща се от телена спирала, може да бъде заменена с други структури. Предлагат се и така наречените структури с пръстен-лъч и пръстен-цикъл, както и линии на закъснение, състоящи се от свързани резонатори (Coupled-Cavity). Изборът на структурата на линията на закъснение оказва значително влияние върху постижимите параметри, като коефициент на усилване, изходна мощност и широчина на честотната лента.
Забавяща линия, състояща се от противоположно навити намотки
Междинна стъпка в развитието на структурата на пръстеновидния контур и пръстеновидната лента е закъснителната линия, състояща се от противоположно навити намотки (вж. изображение 7). Двете намотки трябва да имат еднакви размери. Там, където двете намотки се пресичат, те са в контакт една с друга. Този тип забавяща линия е по-слабо чувствителна към обратни вълни и следователно позволява по-високи напрежения и токове, а оттам и по-високи изходни мощности. Недостатъкът е, че те имат по-малка широчина на честотната лента в сравнение с обикновените намотки.
Закъснителна линия с пръстен и контур
Изображение 8: Закъснителна линия с пръстен и контур
В забавящата линия «пръстен-петлица» се използват концентрични пръстени, които са свързани с примки. В сравнение с конвенционалните спирални тръби с бягащи вълни тези устройства са способни да доставят по-голяма мощност, но имат много по-тясна честотна лента от само 5 до 15% от средната честота и също така имат по-ниска гранична честота от около 18 GHz поради напречния капацитет на повърхностите на пръстените.
Особени характеристики в работни условия са високото съпротивление на свързване и по-ниската податливост към генериране на хармоници. Лампите с бягаща вълна с пръстеновидна забавяща линия могат да постигнат много висок коефициент на усилване (40 … 60 dB). Те са механично малко по-малки и позволяват по-високо работно напрежение при по-малък риск от самовъзбуждане от обратни вълни.
Изображение 9: Пръстеновидна забавяща линия
Пръстеновидна забавяща линия
Пръстеновидната линия на забавяне е разработена от забавящата линия с противоположно навити намотки. Тя се произвежда много лесно чрез обработка на тънка медна тръба с прецизно лазерно рязане.
Изображение 10: Забавяща линия с куплирани резонатори
Забавяща линия с куплирани резонатори
Формирането на такава забавяща линия може да се представи като меандровидно нагънат вълновод с диафрагма във всяка гънка за адаптиране. Следователно това всъщност е отклоняваща линия за адаптиране на скоростите на разпространение.
В лампата с бягаща вълна от свързаните кухини като забавяща линия се използват резонатори с настроени кухини, през които протича електронният ток и които имат променливи прорези, в резултат на което се получава свързана линия. Радиочестотният път (син на схемата) преминава зигзагообразно през свързващите слотове в резонаторите и по този начин постоянно пресича електронния ток (червен на схемата).
Благодарение на високото качество на отделните резонатори лампата с бягаща вълна с куплирани резонатори има по-добра горна гранична честота със значително увеличение на мощността, но също така и много тясна честотна лента поради честотно зависимите резонатори. Лампите с бягаща вълна с куплирани резонатори се вълни постигат над 100 kW импулсна мощност при около 25 kW постоянна мощност.
Галерия от снимки на лампи с бягаща вълна
Изображение 12: Руска лампа за бягаща вълна с ниска мощност УВ-1Б, използвана в П-37 (Размерите в увеличението са дадени за 20 навивки).
Източник:
- Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (съпътстващ учебен материал), март 2014 г., ISBN 978-1-4951-0431-2