www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radiolokační vysílače

Elektronka s postupující vlnou

Co je to elektronka s postupující vlnou?

Obrázek 1: Fyzikální konstrukce TWT: ① Elektronová tryska; ② Fokusační magnet; ③ Zpožďovací struktura (zde spirála); ④ Kolektor;

Obrázek 1: Fyzikální konstrukce TWT: ① Elektronová tryska; ② Fokusační magnet; ③ Zpožďovací struktura (zde spirála); ④ Kolektor;

Obrázek 1: Fyzikální konstrukce TWT: ① Elektronová tryska; ② Fokusační magnet; ③ Zpožďovací struktura (zde spirála); ④ Kolektor; (interaktivní obrázek)

Elektronenkanone Magnet Magnet Magnet Helix Helix Helix Kollektor Kollektor Heizung Kathode Kathode Gitter Anode Attenuator Input output

Elektronka s postupující vlnou

Elektronky s postupující vlnou (zkratka: TWT z anglického Traveling Wave Tube, vyslovuje se: „twit“) jsou vakuové elektronky používané jako mikrovlnné širokopásmové zesilovače s vysokým ziskem a nízkým šumem. Pouze v češtině se používá také název „Permaktron“, což je pravděpodobně bývalá značka TESLA. TWT jsou schopny dosáhnout zisku od 40 do 70 dB s šířkou pásma přesahující dvě oktávy.[1] TWT byly navrženy pro frekvence od 300 megahertzů do 100 gigahertzů.[1] Výkony se pohybují od několika wattů do 10 MW. TWT je především napěťový zesilovač. Společně s klystrony tvoří zvláštní skupinu elektronek s lineárním paprskem v kontextu elektronek s rychlostní modulací. Existují dva různé hlavní typy TWT:

Oba typy mají stejný princip činnosti a oba obsahují základní součásti znázorněné na obrázku 1. Liší se především konstrukcí pomalé vlnové struktury. Širokopásmové a nízkošumové vlastnosti činí TWT ideální pro použití jako vf zesilovač v mikrovlnných zařízeních. Z důvodu zvláštní nízkošumové charakteristiky se široce používají jako aktivní VF zesilovací prvek v mikrovlnných přijímačích a vysílačích v radarových systémech a v kosmické komunikaci.

Fyzická konstrukce

Fyzická konstrukce typického TWT je znázorněna na obrázku 1. Skládá se ze čtyř základních prvků:

  1. Elektronová tryska, která vytváří a následně urychluje svazek elektronů podél osy elektronky;
  2. Magnetické zaostřovací zařízení pro zaostřování elektronových svazků, který vytváří magnetické pole podél osy trubice a soustřeďuje elektrony do těsného svazku;
  3. Zpožďovací struktura jako VF interakční obvod, např. stočený drát (Helix) ve středu trubice, který zajišťuje nízkoimpedanční přenosové vedení pro VF energii v trubici;
  4. Kolektor. Elektronový svazek je přijímán v kolektoru poté, co prošel strukturou pomalé vlny.

Všechny součásti TWT jsou udržovány ve velmi vysokém vakuu. VF vstup a výstup se může připojovat a odpojovat od šroubovice pomocí vlnovodných směrových vazeb, které nemají žádné fyzické spojení se šroubovicí

Obrázek 2: Varianty magnetů: a) solenoid; b) permanentní magnet; c) periodické permanentní magnety.

Obrázek 2: Varianty magnetů: a) solenoid; b) permanentní magnet; c) periodické permanentní magnety.

Elektronová tryska

Elektronová tryska má podobnou konstrukci jako u všech katodových trubic. Skládá se z nepřímo vyhřívané katody, která musí být zahřátá na teplotu mezi 850° a 1 100° Celsia, aby vznikla znatelná emise elektronů. Fokusační mřížka se stejným potenciálem jako katoda (nebo s malým záporným předpětím až do -20 V vzhledem ke katodě) usměrňuje elektrony požadovaným směrem. K vytvoření potřebné rychlosti elektronů se používá jedna nebo více anod. Paprsek prochází anodami přes otvor nebo mřížku a prochází pomalou vlnovou strukturou.

Elektronová tryska je zakryta stínicí skříňkou, aby se zabránilo nebezpečnému záření.

Okolní magnet

Okolní magnet vytváří magnetické pole podél osy elektronky, které soustřeďuje elektrony do těsného svazku. Tento magnet může být buď permanentní magnet, nebo solenoidový (elektromagnetický) fokusační prvek (viz obrázek 2a). Permanentní magnet nepotřebuje napájení a zajišťuje stálou přítomnost magnetického pole. Nevýhodou je, že permanentní magnet neumožňuje nastavení magnetického pole pro optimalizaci výkonu trubic.

Pokud se jeden permanentní magnet (viz obrázek 2b) nahradí několika menšími magnety, zmenší se velikost a celková hmotnost magnetické konstrukce (viz obrázek 2c).

Pouzdro je obvykle vyrobeno z hliníku, aby se zabránilo rušivému vlivu feromagnetických materiálů. Vnější magnetické materiály mohou rušit rovnoměrné magnetické pole a zničit elektronku s postupující vlnou. Proto má obal elektronky s postupující vlnou často předimenzované rozměry.

VF vstup
vliv útlumový
kryt
VF indukované
do spirály
elektronový
paprsek shlukování

Obrázek 3: Zesílený signál šroubovice

VF vstup
vliv útlumový
kryt
VF indukované
do spirály
elektronový
paprsek shlukování

Obrázek 3: Zesílený signál šroubovice

Zpožďovací struktura

Protože se elektronový svazek do trubice musí samozřejmě pohybovat pomaleji než rychlostí světla, musí existovat nějaký způsob, jak zpomalit dopřednou rychlost elektromagnetické vlny. Rychlost elektronového paprsku v TWT je přibližně 10 až 50% rychlosti světla. Rychlost závisí na katodovém napětí, které se může pohybovat mezi 4 a 120 kilovolty. Zpomalení se provádí pomocí pomalé vlnové struktury, po které se šíří elektromagnetická vlna.

Kollektor

Kolektor je napěťová elektroda TWT. Má stejný potenciál jako tělo elektronky, a to je obvykle na zemi. Při absenci vstupního signálu se musí celá energie paprsku rozptýlit v kolektoru. U výkonných TWT je nutné nucené chlazení kolektoru vzduchem nebo kapalinou. Vysoce výkonné TWT často používají vícestupňové kolektory, jak je znázorněno na obrázku 1.

urychlení
zpomalení
shlukování

Obrázek 4: Svazkování elektronových paprsků

urychlení
zpomalení
shlukování

Obrázek 4: Svazkování elektronových paprsků

Funkce popisující

Vstupní napětí vytváří přídavné axiální elektrické pole, které se pohybuje stejně rychle jako elektronový svazek na drátu šroubovice. Toto elektrické pole urychluje (v kladné půlvlně) nebo zpomaluje (v záporné půlvlně) elektrony ve svazku elektronů. Tento proces se nazývá modulace rychlosti. Pokud by se elektrony svazku urychlily tak, že by se pohybovaly rychleji než vlny putující po vodiči, došlo by vlivem rychlostní modulace ke shlukování elektronů. (viz obrázek 4)

Dodáním energie elektronovému svazku se sníží výkon putující vlny. Přídavný tlumič způsobuje pokles na nulu. Tento jeden útlumový prvek také zabraňuje tomu, aby se případné odražené vlny šířily zpět po šroubovici.

Obrázek 5: Odpuzování elektronů ve vodiči šroubovice

Obrázek 5: Odpuzování elektronů ve vodiči šroubovice

Modulace rychlosti je však u elektronového svazku stále účinná. Rychlejší elektrony dohánějí pomalejší elektrony a dochází ke shlukování. Svazkování elektronů začíná již na začátku šroubovice a největšího projevu dosahuje na jejím konci. Elektronové svazky ve svazku odevzdávají energii drátu pomalé vlnové struktury. Odpuzují elektrony v drátu a vytvářejí novou jednu putující vlnu ve šroubovici. Energie ze svazků by zvyšovala amplitudu putující vlny v postupném ději, který by probíhal po celé délce TWT.

Injekce vlny ve struktuře pomalé vlny (jak je znázorněno na obrázku 5) způsobí fázový posun -90° stupňů vzhledem k původnímu průběhu vlny. Když elektrony dodají vlně ve šroubovici svou energii, zpomalí se. U některých TWT je proto šroubovice na konci trubice užší. Tím se zpomalí i rychlost elektromagnetické vlny v pomalé vlnové struktuře.

Charakteristiky elektronek s postupujícím vlněním
Pvýstup
Pvstup

Obrázek 6: Charakteristika elektronky s postupující vlnou

Charakteristiky elektronek s postupujícím vlněním
Pvýstup
Pvstup

Obrázek 6: Charakteristika elektronky s postupující vlnou

Zesílení výkonu

V elektronkách s postupující vlnou dochází vlastně pouze k zesílení napětí. Protože impedance vedení je konstantní, vyšší napětí má za následek vyšší proud a obojí dohromady vede k vyššímu výkonu. Dosažitelné výkonové zesílení je v podstatě závislé na následujících faktorech:

Jak ukazuje obrázek 6, zisk daného TWT má při malém vstupním výkonu lineární charakteristiku přibližně 26 dB. Pokud zvýšíte vstupní výkon, výstupní výkon se při stejném zisku nezvýší. Můžete tak zabránit saturaci např. následujícího směšovacího stupně v radarovém přijímači. Relativně nízká účinnost TWT částečně kompenzuje výhody vysokého zisku a široké šířky pásma.

Šířka pásma

Zisk TWT je ovlivněn interakcí elektronů s elektrickým polem způsobeným vlněním v pomalé vlnové struktuře. Účinnost závisí na frekvenční odezvě pomalé vlnové struktury. Šroubovice může mít šířku pásma větší než dvě oktávy. Pokud pomalá vlnová struktura obsahuje rezonanční části, pak šířka pásma závisí na její frekvenční odezvě. Šířka pásma běžně používaných TWT s vázanou dutinou je přibližně 10 … 20% střední frekvence.

Šumové číslo

Nejdůležitějším parametrem pro použití trubice s kmitající vlnou jako předzesilovače v radarových přijímačích je šumové číslo elektronky s postupující vlnou. To určuje citlivost přijímače, a tím i maximální dosah radaru. Šumové číslo nedávno používaných TWT je 3 … 10 dB. Existují tři nevyhnutelné zdroje šumu v elektronkách s postupující vlnou:

Šumové číslo závisí na velikosti většiny napájecích napětí elektronky s postupující vlnou. Například pokud jsou napětí na elektrodách o 5% menší než optimální hodnoty, šumové číslo se přibližně zdvojnásobí.

Contra-wound Helix slow wave structure

Obrázek 7: Struktura pomalé vlny s protiběžným vinutím Helix

Různé typy struktury zpoždění

Dříve popsaná šroubovice může být nahrazena jinou strukturou pomalé vlny, například prstencovou tyčí, prstencovou smyčkou nebo strukturou s vázanou dutinou. Struktura se volí tak, aby poskytovala charakteristiku odpovídající požadovanému zisku/šířce pásma a výkonovým charakteristikám.

Šroubovice s protiběžným vinutím

Protiběžná šroubovice používá dvě šroubovice navinuté v opačných směrech. Obě šroubovice musí mít stejné rozměry. Protiběžná šroubovice je méně citlivá na interakce zpětných vln, a proto umožňuje vyšší provozní napětí, proudy a výkony. Daní za tyto výhody je menší šířka pásma než u jednoduché šroubovice.

TWT s kruhovou smyčkou (Ring-Loop)
Ring-Loop slow wave structure

Struktura pomalé vlny s kruhovou smyčkou (Ring-Loop)

Prstencová smyčka TWT používá smyčky jako strukturu pomalé vlny, která spojuje prstence dohromady. Tato zařízení jsou schopna dosáhnout vyšších výkonů než běžné šroubovicové TWT, ale mají podstatně menší šířku pásma 5 … 15 % a nižší mezní frekvenci 18 GHz.

Vlastností kroužkové smyčkové pomalovlnné struktury je vysoká vazební impedance a nízké harmonické složky vlny. Proto má elektronka s kroužkovou smyčkou s pomalou vlnou výhodu vysokého zisku (40 … 60 decibelů), malých rozměrů, vyššího provozního napětí a menšího nebezpečí kmitání zpětné vlny.

Ring-Bar slow wave structure

Obrázek 9: Struktura pomalé vlny s kruhovou tyčí

Prstencová tyčová TWT

Kroužkový tyčový TWT byl vyvinut z protiběžné šroubovice a má pravděpodobně stejné vlastnosti jako kroužkový TWT. Tuto strukturu pomalé vlny lze velmi snadno vyrobit přesnými laserovými řezy do tenké měděné trubky.

Coupled-cavity slow wave structure

Obrázek 10: Struktura pomalé vlny s vázanou dutinou

TWT s vázanou dutinou

Coupled-cavity TWT využívá strukturu pomalé vlny řady vzájemně propojených dutin. Rezonanční dutiny jsou spojeny přenosovým vedením. Elektronový paprsek (na obrázku 9 je znázorněn jako červený paprsek) je v první rezonanční dutině rychlostně modulován VF vstupním signálem. Tato VF energie (zobrazená jako modrá šipka) se šíří podél dutin a indukuje RF napětí v každé následující dutině.

Pokud je odstup dutin správně nastaven, jsou napětí v každé dutině indukovaná modulovaným paprskem ve fázi a putují po přenosovém vedení k výstupu s aditivním účinkem, takže výstupní výkon je mnohem větší než výkon vstupní.

Galerie obrázků trubic s pohyblivou vlnou

Obrázek 11: Vysoce výkonná TWT VTR 572B používaná v radaru HADR

Obrázek 12: Ruská nízkovýkonná TWT UV-1B (cyrilice: УВ-1Б) používaná v P-37 „Bar Lock“ (míra v detailním zvětšení je uvedena pro 20 vinutí).

Zdroje:

  1. Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (Školící materiály ke kurzu), Březen 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2