Radartutorial .eu

Yürüyen Dalga Tüpleri

Yürüyen dalga tüpleri (TWT = Traveling Wave Tubes) geniş bantlı yükselteçlerdir. Bu bakımdan hız modülasyonlu tüpler içerisinde önemli bir yere sahiptir. Özellikle düşük gürültü katsayılarına sahip olmaları nedeniyle, alıcı cihazlarında ayrıca aktif yüksek frekans yükselticisi olarak ta kullanılmaktadır. Kullanım amaçlarına bağlı olarak yürüyen dalga tüpleri iki gruba ayrılır:

• Giriş yükselteci yürüyen dalga tüpleri
  yüksek hassasiyetleri, düşük gürültü katsayıları ve geniş bantları nedeniyle radarda giriş yükselteci olarak yer alırlar.
• Güç yükselteci yürüyen dalga tüpleri
  en çok, gönderici kademelerinde ön yükseltici olarak kullanılır.

Ele alacağımız diğer konular şunlardır:

• Yürüyen dalga tüplerinin yapısı ve işlevi
• Yürüyen dalga tüplerinin karakteristik özellikleri
  • Güç yükseltmesi
  • Bant genişliği
  • Gürültü oranı
  • Zayıflaması

Yapı ve işlev

Yürüyen dalga tüplerinin gürültü seviyeleri düşük ve yükseltme oranları çok büyük geniş bantlı mikrodalga yükselteçleridir. Bir oktavdan daha büyük bant genişlikli 40 dB e kadar yükseltme oranları çok sık görülür. Yürüyen dalga tüpleri 300 MHz den 50 GHz i aşan frekanslar için imal edilirler. Bir yürüyen dalga tüpü her şeyden önce bir yükselteçtir. Yürüyen dalga tüpleri büyük bant genişlikleri ve büyük yükseltme oranları nedeniyle radar teknolojisinde gittikçe daha geniş bir kullanım alanı bulmaktadır.

Resim 3 de bir yürüyen dalga tüpünün yapısı görülmektedir. Elektron ışınımları, katottan başlayarak Wehnelt silindiri (elektron tabancasında elektron demetlerini odaklayan ve kumanda eden bir elektrot) ve dışarıya konulmuş daimi bir mıknatıs alanı tarafından demetlenir ve sarmal içerisinden geçerek kollektöre varırlar.

Yüksek frekans girişinde konuşlanmış dalgalar tel sarmala varır ve yüksek frekans çıkışına doğru çoğalarak yayılırlar. Dalgaların sarmaldaki daha uzun yolları katetmeleri gerektiğinden, dalgaların yüksek hızı, elektron ışınımlarının yavaş hızları ile dengelenir; öyle ki her ikisi de yüksek frekans çıkışı yakınına vardıklarında hızları eşitlenmiştir.

Aynı zamanda dalgalar, sarmalda lokal olarak mevcut kendi elektrik alanıyla elektron ışınımın hızını kısmen arttırarak ve kısmen yavaşlatarak etkiler (yani hız modülasyonu yapar). Bu bize klistrondan bildiğimiz yoğunluk modülasyonunu çağrıştırmaktadır.

Şekilde, sarmal iletkenin içinde dalgalar tarafından meydana gelen eksenel elektrik alanı görülmektedir.

Yoğunluk modülasyonu hemen sarmal girişinde başlar ve sarmal sonunda en yüksek biçimine ulaşır. Hız modülasyonun frekansı girişte konuşlanan dalgaların frekansı ile aynıdır. Yoğunluk modülasyonu sırasında mevcut elektron paketleri bu sefer dalgaları etkilerler, bu süreçte sırayla enerjiyi alır ve verirler. Uygun yapısal önlemler alındığında, dalgalar tarafından emilen enerjiden epeyce fazlasının dalga tarafından verilmesi sağlanır ve yüksek frekans çıkışında önemli ölçüde yükseltilmiş bir yüksek frekanslı sinyal oluşur.

Karakteristik özellikler

Ulaşılabilmesi mümkün güç yükseltimi esas olarak aşağıdaki etmenlere bağlıdır:

• yapısal detaylar (örneğin sarmal uzunluğu)
• elektron demet çapı (odaklayıcı manyetik akının akı yoğunluğu B ile ayarlanabilir)
• giriş gücü (bak Resim 6)
• sarmal gerilimi U_A2

Resim 6 e bakıldığında küçük giriş güçlerinde bir doğrusal işlev bölgesini ve bu bölgede sabit 26 dB lik güç yükseltimi görürüz. Eğer giriş gücünü yükseltirsek, çıkış gücü daha fazla yükselmeyecektir, yani yükseltme katsayısı azalacaktır. Ortaya, çok güçlü giriş sinyallerinin bir sonraki katın (örneğin, karıştırma katının) aşırı sürülmesini (overdriving) önleyen bir sınırlayıcı etki çıkmaktadır.

Yürüyen dalda tüplerinde ki, elektron ışınımı ve ilerleyen dalga arasında ki karşılıklı etkileşimiyle oluşan yükseltme etkisi bir gecikme hattına vardığında, ulaşılabilir bant genişliği değerinden her şeyden önce sarmalın frekanssal davranışı sorumludur.
„İletim tekniği” başlıklı sayfada anlatıldığı gibi, bir iletim hattında frekansa bağımlı olmayan bir alan dağılımına, sadece, bu iletim hattı uyumlu (matched) çalışıyorsa varılır. Bu uyum (matching) doğal olarak sınırlı bir frekans bandı içinde korunabilir, buna rağmen bu bandın genişliği birkaç GHz lik değerlere varır.

Yürüyen dalga tüplerinin bir yükselteç tüpü olarak kullanılmasında öne çıkan en önemli parametre, yürüyen dalga tüplerinin, tüm alıcıların duyarlılığı ve radar istasyonunun menzil yeteneği üzerinde belirleyici etkisi olan düşük gürültü katsayısıdır. Modern yürüyen dalga tüplerinde gürültü katsayısı 3 ila 10 dB arasındadır. Gürültünün ana nedenleri şunlardır:

• Saçma, atış etkisi (elektron tüplerinde olduğu gibi);
• Akım dağılım etkisi (çok ızgaralı tüplerde olduğu gibi);
• katottan eşit olmayan, düzensiz elektron çıkışı.

Gürültü katsayısı, en çok yürüyen dalga tüpünün besleme gerilimi büyüklüklerine bağlıdır. Eğer, elektrotlarda ki gerilimler, örneğin optimal değerinin % 5 altında ise gürültü katsayısı yaklaşık iki misli artar.

Yürüyen dalga tüplerinin uyumu tüm bant genişliğince sağlanamadığından, yürüyen dalga tüplerinin girişi ve çıkışı arasında yansımalar meydana gelir. Bu kendinden uyartımlı salınımların tehlikesini azaltmak için ilaveten sarmal zayıflatılır. Bu zayıflatma ya:

• yoğun zayıflatma (sarmalın yada sarmal tutucuların grafitle kaplanması) veya
• sürekli zayıflatma (sarmalın demir, nikel gibi iletkenliği kötü malzemeden yapılması)  ile gerçekleştirilir.

Halkalı Yürüyen Dalga Tüpü

Halkalı tip yürüyen dalga tüpleri özel bir biçime sahip geciktirme hattı kullanırlar ve bu sayede daha fazla güç sağlayabilirler. Bu cihazlar parazitik kapasitansları nedeniyle sarmallı yürüyen dalga tüplerine göre sadece 18 GHz de oldukça düşük bir üst kesme frekans (cut-off frequency) değerine sahiptirler.

Sarmallı yürüyen dalga türlerinde kazancın 40…60 dB olmasına rağmen bant genişliği %5…15 arasında kalır. X-bandında 8 kW lık bir darbe tepe gücü yaklaşık 400 W lık ortalama güç ile elde etmek mümkün olabilmektedir.

Çubuk Halkalı Yürüyen Dalga Tüpü

Çubuk halkalı tip yürüyen dalga tüpü, halkalı tip yürüyen dalga tüpleri ile benzer özelliklere sahiptirler. Çubuk halka geciktirme hatları bir bakır tüpten lazer ile kesilerek kolayca yapılabilirler. Bu tür halkalar titreşimlere daha fazla dayanıklıdırlar.

Bağlaşımlı Oyuklu (coupled-cavity )Yürüyen Dalga Tüpleri

Keza, bağlaşımlı yürüyen dalga tüpleri de birbirine seri bağlı oyuklardan meydana gelen bir özel geciktirme hattı kullanırlar. Birbirlerine ayarlı (tuned) bu oyuklu çınlayıcılarda ki (cavity resonators) karşılıklı yarıklardan (slits) geçerek akan elektronlar iletimi sağlarlar. Resim.9 da mavi renkle gösterilen YF-enerjisi oyuklu çınlayıcılardaki yarıklardan geçerek zikzak biçiminde ilerlerler ve bunun sonucunda kırmızı renkle gösterilen bir daimi elektron akımı meydana getirirler.

Her bir çınlayıcıda doğru ayar yapılması koşuluyla sağlanan yüksek kazanç birbirine eklenerek bağlaşımlı oyuklu yürüyen dalga tüpünün oldukça yüksek bir güce sahip olmasını sağlar. Üst kesme frekansı daha iyidir, ancak çınlayıcıların frekansa bağımlı oluşu sonucu bant genişliği hayli daralır.