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Tubos de onda progresiva

¿Qué es un tubo de onda progresiva?

Figura 1: Estructura básica de un tubo de ondas progresiva: ① cañón de electrones; ② imán focalizador; ③ línea de retardo (aquí una hélice); ④ colector;

Figura 1: Estructura básica de un tubo de ondas progresiva: ① cañón de electrones; ② imán focalizador; ③ línea de retardo (aquí una hélice); ④ colector;

Figura 1: Estructura básica de un tubo de ondas progresiva: ① cañón de electrones; ② imán focalizador; ③ línea de retardo (aquí una hélice); ④ colector; (imagen interactiva)

Cañón electrónico Magneten Magneten Magneten Helix Helix Helix Colector Colector Heizung Kathode Kathode Gitter Anode Attenuator Input output

Tubos de onda progresiva

Los tubos de onda progresiva (en inglés: Traveling-Wave Tube o TWT, pronunciado „twit“) son tubos de vacío que se utilizan como amplificadores de banda ancha de bajo ruido y alta ganancia. Un tubo de onda progresiva puede alcanzar factores de amplificación de 40 a 70 dB en un ancho de banda de más de dos octavas[1]. Se han construido tubos de onda progresiva para frecuencias de 300 MHz a 100 gigahercios[1]. La potencia de salida alcanzable oscila entre unos pocos vatios y más de 10 MW. Un tubo de onda progresiva es básicamente un amplificador de tensión. Junto con los klystrons, forman el grupo de tubos de haz lineal dentro de los tubos de retardo de tiempo. Existen dos tipos básicos de tubos de onda progresiva:

Ambos grupos de tipos tienen los mismos principios funcionales y contienen los mismos conjuntos principales, como se muestra en la figura 1. Sin embargo, difieren significativamente en la estructura de la línea de retardo. El gran ancho de banda y el bajo ruido inherente hacen del tubo de onda progresiva un amplificador ideal en el rango de las microondas. Debido a su bajo ruido, se utilizan a menudo en receptores de radar, transmisores de radar y en la comunicación por satélite.

Estructura básica

En la figura 1 se muestra la estructura básica de un tubo de onda progresiva. El tubo de ondas progresiva consta de cuatro componentes:

  1. Cañón electrónico, que crea un haz de electrones y lo acelera en la dirección del eje longitudinal del tubo;
  2. Dispositivo de enfoque magnético que genera un campo de guía magnético a lo largo del eje del haz de electrones y lo enfoca en un haz estrecho;
  3. Línea de retardo como circuito de interacción, por ejemplo una hélice de alambre, que forma una línea de baja impedancia dentro del tubo para la alta frecuencia;
  4. Colector El haz de electrones se desacelera y se desvía en el colector después de pasar por la línea de retardo.

Todos estos componentes del tubo de onda progresiva se encuentran en un cuerpo de vidrio o cerámica en el que reina un alto vacío. Las entradas y salidas pueden conducirse mediante cables coaxiales o mediante conexiones de guía de ondas. También es posible el aislamiento galvánico mediante acopladores direccionales.

Figura 2: Variantes del dispositivo de focalización magnética: a) Electroimán; b) Imán permanente; c) Imanes permanentes periódicos.

Figura 2: Variantes del dispositivo de focalización magnética: a) Electroimán; b) Imán permanente; c) Imanes permanentes periódicos.

Cañón electrónico

El cañón electrónico está construido de forma similar a todos los tubos de rayos catódicos. Consta de un cátodo, normalmente calentado indirectamente, que debe calentarse a temperaturas comprendidas entre 850° y 1 100° Celsius con una bobina de calentamiento para emitir un número suficiente de electrones. Alrededor del cátodo se coloca una placa no calentada que, o bien tiene potencial catódico, o bien recibe una tensión ligeramente más negativa que el cátodo. Esto fuerza a los electrones hacia el ánodo. Uno o varios ánodos aceleran los electrones hasta una velocidad utilizable. Los electrones pueden pasar el ánodo a través de un orificio o una rejilla y viajar a través de la línea de retardo como un haz de electrones.

El cañón de electrones está blindado para protegerlo de la radiación ionizante resultante.

Dispositivo de enfoque magnético

El dispositivo de enfoque magnético que rodea el haz de electrones y la línea de retardo agrupa los electrones en un haz muy fino. Este imán puede ser un imán permanente o un electroimán (véase la Figura 2a). El imán permanente tiene la ventaja de que no necesita alimentación eléctrica y siempre está disponible. Su desventaja es que el flujo magnético no puede regularse para optimizar el rendimiento del tubo de onda progresiva.

Si se sustituye el imán único (véase la Figura 2b), necesariamente bastante grande, por varios imanes más pequeños, se puede reducir considerablemente el tamaño y el peso total del amplificador de tubo de ondas progresiva (véase la Figura 2c).

Entre el imán y el tubo hay una carcasa de aluminio que sirve de apantallamiento. No se puede utilizar material ferromagnético, ya que influye en el campo magnético. Los campos magnéticos interferentes externos pueden influir en la uniformidad del campo magnético interno e incluso inutilizar el tubo de onda progresiva. Por esta razón, los tubos de onda progresiva se suministran en embalajes sobredimensionados para garantizar una distancia suficiente de estos campos interferentes.

Señal de
entrada HF
Efecto del
revestimiento
de atenuación
Tensión inducida
en el filamento
Modulación de
la densidad de
los electrones

Figura 3: Señal HF amplificada en la hélice

Señal de
entrada HF
Efecto del
revestimiento
de atenuación
Tensión inducida
en el filamento
Modulación de
la densidad de
los electrones

Figura 3: Señal HF amplificada en la hélice

Línea de retardo

Los electrones del haz de electrones se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz. En función de la tensión del ánodo, que puede oscilar entre 4 y 120 kV, la velocidad de los electrones es del 10 al 50% de la velocidad de la luz. En una línea, la velocidad de propagación de una onda electromagnética es del 66 al 80% de la velocidad de la luz. Por tanto, la línea de retardo debe garantizar que la alta frecuencia que viaja por ella se reduzca a la velocidad de los electrones. Esto se hace siempre con la ayuda de líneas de desvío. Éstas pueden estar dobladas en forma de hélice o discurrir en zig-zag.

Colector

El colector es también un electrodo del tubo de onda progresiva. Suele estar a potencial de tierra, mientras que el cátodo recibe una tensión negativa extremadamente alta. Por lo tanto, también actúa como ánodo. Si no se aplica tensión de entrada al tubo de onda progresiva, el colector debe ser capaz de absorber toda la energía del haz de electrones. Por ello, en los tubos de onda progresiva con una potencia de salida más elevada, el colector debe refrigerarse de forma forzada. Esto puede hacerse mediante flujo de aire o refrigeración líquida. En los tubos de onda progresiva utilizados en el espacio, la refrigeración se realiza por radiación. En los tubos de onda progresiva de alto rendimiento, el colector tiene una estructura de varias etapas, como se muestra en la figura 1.

Aceleración
Desaceleración
Formación de paquetes

Figura 4: Modulación de la velocidad de los electrones y posterior formación de paquetes

Aceleración
Desaceleración
Formación de paquetes

Figura 4: Modulación de la velocidad de los electrones y posterior formación de paquetes

Principio de funcionamiento

Una tensión de entrada de alta frecuencia genera un campo eléctrico adicional, que es retardado por la línea de retardo de modo que tiene la misma velocidad de propagación que el haz de electrones y, por tanto, puede actuar sobre determinados electrones durante un periodo de tiempo más largo. En la semionda positiva de la oscilación, los electrones se aceleran adicionalmente, mientras que en la semionda negativa se desaceleran. Este proceso se denomina modulación de velocidad en tubos de retardo de tiempo. Ahora los electrones más lentos son alcanzados por electrones más rápidos. El resultado es la formación de paquetes de electrones (véase la figura 4).

Sin embargo, esto hace que la onda electromagnética pierda energía en favor de los electrones. Además, actúa una capa de atenuación para que la onda reduzca su energía casi a cero. Esta capa de amortiguación también impide la realimentación, que provocaría la autoexcitación.

Figura 5: Desplazamiento de los electrones en los hilos del filamento

Figura 5: Desplazamiento de los electrones en los hilos del filamento

No obstante, el agrupamiento de los electrones en el haz de electrones sigue en curso. La velocidad de los electrones sigue siendo diferente, por lo que la formación de paquetes se intensifica. Esta formación de manojos es activa en toda la longitud del haz de electrones y los manojos de electrones son mayores al final de la hélice. Ahora los paquetes de electrones transfieren energía a la línea de retardo. Desplazan los electrones en los hilos del filamento, de modo que allí se produce de nuevo una oscilación. Esta oscilación se amplifica ahora constantemente y la amplitud de la tensión de alta frecuencia aumenta muy por encima del valor inicial.

La oscilación en la línea de retardo se genera con un desplazamiento de fase de -90° con respecto a la señal de entrada. Los electrones del haz de electrones son frenados por la transferencia de energía a la oscilación. Por ello, en algunos tubos de onda progresiva, el filamento es algo más estrecho en el extremo del tubo que en la entrada, de forma que se compensa esta menor velocidad.

Características
Paus
Pein

Figura 6: Curva característica de un tubo de onda progresiva

Curva característica de un tubo de onda progresiva
Paus
Pein

Figura 6: Curva característica de un tubo de onda progresiva

Amplificación de potencia

En el tubo de onda progresiva, en realidad sólo se produce una amplificación de la tensión. Como la impedancia de la línea es constante, la mayor tensión da lugar a una mayor corriente y ambas juntas dan lugar a una mayor potencia. La amplificación de potencia alcanzable depende esencialmente de los siguientes factores:

La figura 6 muestra un rango lineal para una potencia de entrada baja y, por tanto, una amplificación de potencia constante de unos 26 dB. Si se aumenta la potencia de entrada, la potencia de salida no sigue aumentando, es decir, el factor de amplificación disminuye. Se produce un efecto limitador, de modo que se evita sobrecargar la etapa siguiente (por ejemplo, la etapa de mezcla) en el caso de señales de entrada muy fuertes.

Ancho de banda

Dado que el efecto de amplificación en el tubo de onda progresiva se consigue mediante la interacción entre el haz de electrones y la onda progresiva en una línea de retardo, el comportamiento en frecuencia del filamento es el principal responsable del ancho de banda alcanzable. Una distribución de campo independiente de la frecuencia en una línea sólo se consigue si esta línea funciona de forma adaptada. Esta adaptación sólo puede mantenerse en una banda de frecuencias limitada, pero en el caso de una hélice aún alcanza valores de hasta un orden de magnitud de más de dos octavas. Sin embargo, si esta línea contiene componentes resonantes, el ancho de banda depende de su respuesta en frecuencia. En los tubos de onda progresiva con una línea de retardo formada por resonadores acoplados (cavidad acoplada), el ancho de banda es, por tanto, sólo del 10 … 20% de la frecuencia media.

Factor de ruido

Si el tubo de onda progresiva se utiliza como preamplificador de RF de bajo ruido en un receptor de radar, su parámetro más importante es el factor de ruido Este parámetro determina esencialmente la sensibilidad del receptor y, por tanto, el alcance máximo del radar. El factor de ruido de los tubos de onda progresiva que se utilizan actualmente oscila entre 3 y 10 dB. Hay tres razones inevitables para el ruido inherente de un tubo de onda progresiva:

La magnitud de la figura de ruido está directamente relacionada con la mayoría de las tensiones de alimentación del tubo de onda progresiva. Por ejemplo, si las tensiones en los electrodos se desvían sólo un 5% del valor óptimo, la figura de ruido casi se duplicará.

Contra-wound Helix slow wave structure

Figura 7: Línea de retardo formada por bobinas de contrahélice

Diferentes estructuras de la línea de retardo

La línea de retardo formada por una hélice de alambre aquí descrita puede sustituirse por otras estructuras. También están disponibles las denominadas estructuras de barra anular y bucle anular, así como las líneas de retardo de cavidad acoplada, que consisten en resonadores de cavidad acoplados. La elección de la estructura de la línea de retardo influye significativamente en los parámetros alcanzables, como el factor de amplificación, la potencia de salida y el ancho de banda.

Línea de retardo formada por bobinas de devanado opuesto

Un paso intermedio en el desarrollo de la estructura de bucle anular y de barra anular es la línea de retardo formada por bobinas con devanados opuestos (véase la Figura 7). Ambas bobinas deben tener las mismas dimensiones. Cuando las dos bobinas se cruzan, están en contacto entre sí. Este tipo de línea de retardo es menos sensible a las ondas de retroceso y, por tanto, permite tensiones y corrientes más elevadas y, por tanto, potencias de salida más altas. La desventaja es que tienen un ancho de banda menor que las bobinas simples.

Línea de retardo de bucle anular
Ring-Loop slow wave structure

Figura 8: Línea de retardo de bucle anular

Una línea de retardo de bucle anular utiliza anillos concéntricos conectados por bucles. En comparación con los tubos de onda progresiva helicoidales convencionales, estos dispositivos son capaces de suministrar una mayor potencia, pero tienen un ancho de banda mucho más estrecho, de sólo entre el 5 y el 15% de la frecuencia central, y también tienen una frecuencia de corte más baja, de unos 18 GHz, debido a la capacitancia transversal de las superficies de los anillos.

Las características especiales en condiciones de funcionamiento son la alta impedancia de acoplamiento y una menor susceptibilidad a la generación de armónicos. Los tubos de onda progresiva con una línea de retardo de bucle anular pueden alcanzar un factor de amplificación muy elevado (40 … 60 dB). Son mecánicamente algo más pequeños y permiten una mayor tensión de funcionamiento con un menor riesgo de autoexcitación por ondas hacia atrás.

Ring-Bar slow wave structure

Figura 9: Línea de retardo de barra anular

Línea de retardo de barra anular

La línea de retardo de barra anular se desarrolló a partir de la línea de retardo con bobinas de devanado opuesto. Es muy fácil de fabricar procesando un tubo fino de cobre con un corte preciso por láser.

Coupled-cavity slow wave structure

Figura 10: Línea de retardo de cavidad acoplada

Línea de retardo de cavidad acoplada

La formación de una línea de retardo de este tipo puede imaginarse como una guía de ondas plegada en forma de meandro con un diafragma en cada pliegue para su adaptación. Por tanto, se trata en realidad de una línea de desvío para adaptar las velocidades de propagación.

El tubo de onda progresiva de cavidad acoplada utiliza resonadores de cavidad sintonizada como línea de retardo, a través de los cuales fluye la corriente de electrones y que tienen ranuras alternas, lo que da lugar a una línea acoplada. El trayecto de RF (azul en el diagrama) atraviesa en zigzag las ranuras de acoplamiento de los resonadores y, de este modo, cruza constantemente la corriente de electrones (roja en el diagrama).

Debido a la alta calidad de los resonadores individuales, el tubo de onda progresiva de cavidad acoplada tiene una mejor frecuencia de corte superior con un aumento significativo de la potencia, pero también sólo un ancho de banda muy estrecho debido a los resonadores dependientes de la frecuencia. Los tubos de onda progresiva de cavidad acoplada alcanzan más de 100 kW de potencia de impulsos con unos 25 kW de potencia de onda continua.

Galería de imágenes de tubos de onda progresiva

Figura 11: Tubo de onda progresiva de alto rendimiento VTR 572B
utilizado en el radar HADR

Figura 12: Tubo ruso de onda progresiva de baja potencia UV-1B (kyr.: УВ-1Б), utilizado en el P-37 „Bar Lock“. (Las dimensiones en la ampliación se dan para 20 vueltas).

Fuente:

  1. Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (material didáctico que acompaña al curso), marzo de 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2