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Amplificador de campo cruzado (Amplitron)

Cátodo
entrada do
guia de ondas
guia de
ondas saida
Bloco de ânodos com um número
ímpar de cavidades ressonantes
bloco atenuador

Figura 2: Subconjunto dos caminhos dos elétrons cicloidais em um amplificador de campo cruzado

Cátodo
entrada do
guia de ondas
guia de
ondas saida
Bloco de ânodos com um número
ímpar de cavidades ressonantes
bloco atenuador

Figura 2: Subconjunto dos caminhos dos elétrons cicloidais em um amplificador de campo cruzado

Amplificador de campo cruzado (Amplitron)

Figura 1: Amplificador de campo cruzado resfriado a água L–4756A em sua caixa de transporte

Figura 1: Amplificador de campo cruzado resfriado a água L–4756A em sua caixa de transporte

Às vezes, outros nomes também são usados para o amplificador de campo cruzado na literatura:

O Amplificador de Campo Cruzado (CFA), é um amplificador de microondas de banda larga que também pode ser usado como oscilador (Estabilotron). É o chamado tubo modulado em velocidade. O CFA é semelhante em operação ao magnetron e é capaz de fornecer quantidades relativamente grandes de energia com alta eficiência. Em contraste com o magnetron, os CFA têm um número ímpar de cavidades ressonantes acopladas entre si. Essas cavidades ressonantes funcionam como uma estrutura de ondas lentas: uma cavidade ressonante oscilante excita a próxima cavidade. A oscilação real será conduzida do guia de ondas de entrada para o guia de ondas de saída.

Os campos elétrico e magnético em um CFA são perpendiculares entre si („campos cruzados“). Sem um sinal de entrada e a influência do campo elétrico (tensão do ânodo) e do campo magnético (um forte ímã permanente), todos os elétrons se moverão uniformemente do cátodo para o ânodo em um caminho cicloidal, como mostra a figura 2. (Este caso deve ser evitado na prática, porque o CFA irá gerar um alto nível de ruído.)

O elétron é
adicionalmente
acelerado por
oscilação de RF
O elétron é
desacelerado
por oscilação de RF

Figura 3: O sinal de entrada inicia a excitação da primeira cavidade ressonante

O elétron é
adicionalmente
acelerado por
oscilação de RF
O elétron é
desacelerado
por oscilação de RF

Figura 3: O sinal de entrada inicia a excitação da primeira cavidade ressonante

Se o guia de ondas de entrada introduzir uma oscilação no primeiro ressonador (como mostrado na figura 3), as palhetas do ressonador obterão uma diferença de tensão sincronizada com a oscilação. Sob a influência desse campo adicional, os elétrons que passam voando em campo obtêm aceleração (na palheta com carga positiva) ou são desacelerados (na palheta com carga negativa). Isso causa uma diferença na velocidade dos elétrons. Os elétrons mais rápidos capturam os elétrons mais lentos e os elétrons se formam no espaço de interação entre o cátodo e o ânodo. Esses feixes de elétrons giram como a „Roda de Carga Espacial“ conhecida pela operação do magnetron. Mas eles não podem girar em círculo completo, a „Roda de Carga Espacial“ será interrompida porque o número ímpar de cavidades causa uma fase oposta na última cavidade ímpar (esta inferior entre os guias de ondas). Para evitar um feedback negativo, nessa cavidade ressonante pode existir um bloco contendo grafite para desacoplar a entrada e a saída.)

A oscilação ainda é muito fraca na primeira cavidade. Mas os feixes de elétrons atingem as pás das cavidades a seguir e dispensam sua energia de forma síncrona à oscilação. O campo alternado de microondas faz com que os elétrons acelerem e desacelerem alternadamente perto da próxima cavidade. Simultaneamente, o ânodo próximo às palhetas é atingido pelos primeiros elétrons no ciclo de oscilação. Isso causa amplificação: a oscilação será mais forte de cavidade para cavidade, portanto. Na cavidade ressonante com o guia de ondas de saída acoplado, esses grupos de elétrons são resolvidos: todos, exceto os elétrons, atingem o ânodo e causam a corrente do ânodo.

A largura de banda do CFA, em um dado instante, é aproximadamente mais ou menos 5% da frequência central nominal. Quaisquer sinais recebidos nesta largura de banda são amplificados. Os níveis de potência de pico de muitos megawatts e os potências médios de dezenas de quilowatts de média são, com classificações de eficiência superiores a 70%, possíveis com amplificadores de campo cruzado.

Para evitar modos de operação ineficazes, a construção do CFA contém fios de cintas semelhantes aos usados em magnetrons. Devido às características desejáveis de largura de banda larga, alta eficiência e capacidade de lidar com grandes quantidades de energia, o CFA é usado em muitas aplicações em sistemas eletrônicos de micro-ondas. Quando usado como estágio intermediário ou final em sistemas de radar de alta potência, todas as vantagens do CFA são usadas.

Figura 4: Interação entre um ressonador de cavidade e a „roda de carga espacial“ rotativa

Figura 4: Interação entre um ressonador de cavidade e a „roda de carga espacial“ rotativa

Figura 5: A „roda de carga espacial“ interrompida em um amplificador de campo cruzado

Figura 5: A „roda de carga espacial“ interrompida em um amplificador de campo cruzado

Os amplificadores desse tipo de transmissor de amplificador de potência devem ser amplificadores de microondas de banda larga que amplificam os sinais de entrada sem distorção de frequência. Normalmente, o primeiro estágio e o segundo estágio são os tubos de ondas móveis (TWT) e o estágio final é um amplificador de campo cruzado. Os recentes avanços tecnológicos no campo dos amplificadores de microondas de estado sólido produziram amplificadores de estado sólido com potência de saída suficiente para serem usados como o primeiro estágio em alguns sistemas. Os transmissores com mais de três estágios geralmente usam amplificadores de campo cruzado no terceiro e em qualquer estágio adicional. Tanto os tubos de ondas viajantes quanto os amplificadores de campo cruzado têm uma resposta de amplificação muito plana em uma faixa de frequência relativamente ampla.

Os amplificadores de campo cruzado têm outra vantagem quando usados como estágios finais de um transmissor; isto é, o design do amplificador de campo cruzado permite que a energia de RF passe através do tubo praticamente não afetada quando o tubo não é pulsado. Quando não há pulso, o tubo atua como uma seção do guia de ondas. Portanto, se for desejada uma potência de saída menor que a máxima, os estágios final e precedente do amplificador de campo cruzado podem ser desligados conforme necessário. Esse recurso também permite que um transmissor opere com potência reduzida, mesmo quando o amplificador final de campo cruzado está com defeito. Se a tensão do ânodo estiver ligada, o CFA fornecerá um ganho de 3 a 20 dB.
 

Nota: O trabalho de William C. Brown na adaptação dos princípios do magnetron para criar um novo amplificador de banda larga resultou no „Amplitron“, uma marca comercial da Raytheon Manufacturing Company para a linha Raytheon de amplificadores de campo cruzado atualmente.


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