www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Basics

Tubi ad onda progressiva

Che cos’è un tubo ad onda progressiva?

Figura 1: Struttura di base di un tubo ad onda progressiva: ① cannone elettronico; ② magnete focalizzatore; ③ linea di ritardo (qui un’elica); ④ collettore;

Figura 1: Struttura di base di un tubo ad onda progressiva: ① cannone elettronico; ② magnete focalizzatore; ③ linea di ritardo (qui un’elica); ④ collettore;

Figura 1: Struttura di base di un tubo ad onda progressiva: ① cannone elettronico; ② magnete focalizzatore; ③ linea di ritardo (qui un’elica); ④ collettore; (immagine interattiva)

Cannone elettronico Magneten Magneten Magneten Helix Helix Helix Collettore Collettore Heizung Kathode Kathode Gitter Anode Attenuator Input output

Tubi ad onda progressiva

I tubi ad onda progressiva (in inglese: Travelling Wave Tube, abbr.: TWT, pronuncia: „twit“) sono tubi a vuoto utilizzati come amplificatori a basso rumore e a banda larga con un elevato guadagno. Un tubo ad onda progressiva è in grado di ottenere fattori di amplificazione da 40 a 70 dB su una larghezza di banda di oltre due ottave[1]. I tubi ad onda progressiva sono stati costruiti per frequenze da 300 MHz a 100 gigahertz[1]. La potenza di uscita raggiungibile va da pochi watt a oltre 10 MW. Un tubo ad onda progressiva è fondamentalmente un amplificatore di tensione. Insieme ai klystron, formano il gruppo dei tubi a fascio lineare all’interno dei tubi a ritardo temporale. Esistono due tipi fondamentali di tubi a onde convogliate:

Entrambi i gruppi di tipi hanno gli stessi principi funzionali e contengono gli stessi gruppi principali, come mostrato nella Figura 1. Tuttavia, differiscono in modo significativo nella struttura. Tuttavia, si differenziano in modo significativo per la struttura della linea di ritardo. L’elevata larghezza di banda e il basso rumore intrinseco rendono il tubo a onda mobile un amplificatore ideale nella gamma delle microonde. Grazie al basso rumore, sono spesso utilizzati nei ricevitori radar, nei trasmettitori radar e nelle comunicazioni satellitari.

Struttura di base

La struttura di base di un tubo ad onda progressiva è illustrata nella Figura 1. Il tubo ad onda progressiva è costituito da quattro componenti:

  1. Cannone elettronico, che crea un fascio di elettroni e lo accelera in direzione dell’asse longitudinale del tubo;
  2. Dispositivo di focalizzazione magnetica che genera un campo magnetico di guida lungo l’asse del fascio di elettroni e lo focalizza in un fascio stretto;
  3. Linea di ritardo come circuito di interazione, ad esempio un filo elicoidale, che forma una linea a bassa impedenza all’interno del tubo per l’alta frequenza;
  4. Collettore Il fascio di elettroni viene decelerato e deviato nel collettore dopo aver attraversato la linea di ritardo.

Tutti questi componenti del tubo ad onda progressiva sono situati in un corpo di vetro o ceramica in cui prevale il vuoto spinto. Gli ingressi e le uscite possono essere convogliati tramite cavi coassiali o connessioni a guida d’onda. È anche possibile fornire un isolamento galvanico tramite accoppiatori direzionali.

Figura 2: Varianti del dispositivo di focalizzazione magnetica: a) Elettromagnete; b) Magnete permanente; c) Magneti permanenti periodici

Figura 2: Varianti del dispositivo di focalizzazione magnetica: a) Elettromagnete; b) Magnete permanente; c) Magneti permanenti periodici

Cannone elettronico

Il cannone elettronico è costruito in modo simile a tutti i tubi catodici . È costituito da un catodo, di solito a riscaldamento indiretto, che deve essere riscaldato a temperature comprese tra 850° e 1 100° Celsius con una bobina di riscaldamento per emettere un numero sufficiente di elettroni. Intorno al catodo è fissata una piastra non riscaldata, che ha un potenziale catodico o riceve una tensione leggermente più negativa del catodo. In questo modo gli elettroni vengono spinti verso l’anodo. Uno o più anodi accelerano gli elettroni a una velocità utilizzabile. Gli elettroni possono passare l’anodo attraverso un foro o una griglia e viaggiare attraverso la linea di ritardo come fascio di elettroni.

Il cannone elettronico è schermato per proteggerlo dalle radiazioni ionizzanti che ne derivano.

Dispositivo di focalizzazione magnetica

Il dispositivo di focalizzazione magnetica che circonda il fascio di elettroni e la linea di ritardo raggruppa gli elettroni in un fascio molto sottile. Questo magnete può essere un magnete permanente o un elettromagnete (vedi Figura 2a). Il magnete permanente ha il vantaggio di non richiedere alimentazione e di essere sempre disponibile. Lo svantaggio è che il flusso magnetico non può essere regolato per ottimizzare le prestazioni del tubo ad onda progressiva.

Se si sostituisce il magnete singolo, necessariamente piuttosto grande (vedi Figura 2b), con diversi magneti più piccoli, è possibile ridurre notevolmente le dimensioni e il peso complessivo dell’amplificatore del tubo ad onda progressiva (vedi Figura 2c).

Tra il magnete e il tubo è presente un alloggiamento in alluminio per la schermatura. Non è possibile utilizzare materiale ferromagnetico perché influenza il campo magnetico. I campi magnetici esterni interferenti possono influenzare l’uniformità del campo magnetico interno e rendere inutilizzabile il tubo ad onda progressiva. Per questo motivo, i tubi ad onda progressiva vengono forniti in confezioni sovradimensionate per garantire una distanza sufficiente da questi campi di interferenza.

Segnale
d’ingresso HF
Effetto del
rivestimento di
attenuazione
Tensione indotta
nell’elica
Modulazione
della densità
degli elettroni

Figura 3: Segnale ad alta frequenza amplificato nell’elica

Segnale
d’ingresso HF
Effetto
del rivestimento di
attenuazione
Tensione indotta
nell’elica
Modulazione
della densità
degli elettroni

Figura 3: Segnale ad alta frequenza amplificato nell’elica

Linea di ritardo

Gli elettroni nel fascio di elettroni si muovono molto più lentamente della velocità della luce. A seconda della tensione anodica, che può essere compresa tra 4 e 120 kV, la velocità degli elettroni è pari al 10-50% della velocità della luce. In una linea, la velocità di propagazione di un’onda elettromagnetica è pari al 66-80% della velocità della luce. La linea di ritardo deve quindi garantire che l’alta frequenza che vi viaggia sia ridotta alla velocità degli elettroni. Questo viene sempre fatto con l’aiuto di linee di deviazione. Queste possono essere piegate a elica o percorse a zig-zag.

Collettore

Anche il collettore è un elettrodo del tubo ad onda progressiva. Di solito si trova a potenziale di terra, mentre il catodo riceve una tensione negativa estremamente elevata. Funge quindi anche da anodo. Se al tubo ad onda progressiva non viene applicata alcuna tensione in ingresso, il collettore deve essere in grado di assorbire l’intera energia del fascio di elettroni. Per i tubi ad onda progressiva con una potenza di uscita più elevata, il collettore deve quindi essere raffreddato forzatamente. Questo può essere realizzato con un flusso d’aria o con un raffreddamento a liquido. Nei tubi a onde progressive utilizzati nello spazio, il raffreddamento avviene per irraggiamento. Nei tubi a onde progressive ad alte prestazioni, il collettore ha una struttura a più stadi, come illustrato nella Figura 1.

Accelerazione
Decelerazione
Formazione dei
pacchetti

Figura 4: Modulazione della velocità degli elettroni e successiva formazione dei pacchetti

Accelerazione
Decelerazione
Formazione dei
pacchetti

Figura 4: Modulazione della velocità degli elettroni e successiva formazione dei pacchetti

Principio di funzionamento

Una tensione di ingresso ad alta frequenza genera un campo elettrico aggiuntivo, che viene ritardato dalla linea di ritardo in modo da avere la stessa velocità di propagazione del fascio di elettroni e poter quindi agire su alcuni elettroni per un periodo di tempo più lungo. Nella semionda positiva dell’oscillazione, gli elettroni vengono ulteriormente accelerati, mentre nella semionda negativa vengono decelerati. Questo processo è chiamato modulazione della velocità nei tubi a ritardo temporale. Ora gli elettroni più lenti vengono raggiunti da quelli più veloci. Si forma così un pacchetto di elettroni (vedi Figura 4).

Tuttavia, questo fa sì che l’onda elettromagnetica perda energia a favore degli elettroni. Inoltre, uno strato di attenuazione agisce in modo che l’onda riduca la sua energia quasi a zero. Questo strato di attenuazione impedisce anche la retroazione, che porterebbe all’autoeccitazione.

Figura 5: Spostamento degli elettroni nei fili del filamento

Figura 5: Spostamento degli elettroni nei fili del filamento

Tuttavia, il raggruppamento degli elettroni nel fascio di elettroni è ancora in corso. La velocità degli elettroni è ancora diversa, in modo da intensificare la formazione di pacchetti. Questa formazione di pacchetti è attiva su tutta la lunghezza del fascio di elettroni e i pacchetti di elettroni sono più grandi all’estremità dell’elica. Ora i pacchetti di elettroni trasferiscono energia alla linea di ritardo. Spostano gli elettroni nei fili del filamento in modo che si verifichi nuovamente un’oscillazione. Questa oscillazione è ora costantemente amplificata e l’ampiezza della tensione HF aumenta di molto rispetto al valore iniziale.

L’oscillazione nella linea di ritardo viene generata con uno sfasamento di -90° rispetto al segnale di ingresso. Gli elettroni del fascio elettronico sono rallentati dal trasferimento di energia all’oscillazione. In alcuni tubi a onde convogliate, il filamento è quindi un po’ più stretto all’estremità del tubo rispetto all’ingresso, in modo da compensare questa minore velocità.

Caratteristiche
Paus
Pein

Figura 6: Curva caratteristica di un tubo ad onda progressiva

Kennlinie einer tubo ad onda progressiva
Paus
Pein

Figura 6: Curva caratteristica di un tubo ad onda progressiva

Amplificazione di potenza

Nel tubo ad onda progressiva si ha in realtà solo un’amplificazione della tensione. Poiché l’impedenza della linea è costante, l’aumento della tensione si traduce in un aumento della corrente e, insieme, in una maggiore potenza. L’amplificazione di potenza ottenibile dipende essenzialmente dai seguenti fattori:

La Figura 6 mostra un intervallo lineare per una bassa potenza di ingresso e quindi un’amplificazione di potenza costante di circa 26 dB. Se si aumenta la potenza in ingresso, la potenza in uscita non aumenta ulteriormente, ovvero il fattore di amplificazione diminuisce. Si verifica un effetto di limitazione che impedisce allo stadio successivo (ad esempio, lo stadio di miscelazione) di essere sovraccaricato in caso di segnali di ingresso molto forti.

Larghezza di banda

Poiché l’effetto di amplificazione nel tubo ad onda progressiva si ottiene grazie all’interazione tra il fascio di elettroni e l’onda convogliata su una linea di ritardo, il comportamento in frequenza del filamento è il principale responsabile della larghezza di banda ottenibile. Una distribuzione del campo indipendente dalla frequenza su una linea si ottiene solo se questa viene fatta funzionare in modo adattato. Questo adattamento può essere mantenuto solo su una banda di frequenza limitata, ma nel caso di un’elica si tratta comunque di valori fino a un ordine di grandezza superiore a due ottave. Tuttavia, se questa linea contiene componenti risonanti, la larghezza di banda dipende dalla loro risposta in frequenza. Nei tubi a onde convogliate con una linea di ritardo costituita da risonatori accoppiati (Coupled-Cavity), la larghezza di banda è quindi solo il 10 … 20% della frequenza intermedia.

Figura di rumore

Se il tubo a onda mobile viene utilizzato come preamplificatore RF a basso rumore in un ricevitore radar, il suo parametro più importante è la figura di rumore. Questo parametro determina essenzialmente la sensibilità del ricevitore e quindi la portata massima del radar. La figura di rumore dei tubi a onda mobile attualmente in uso è compresa tra 3 e 10 dB. Il rumore intrinseco di un tubo ad onda progressiva è dovuto a tre cause inevitabili:

L’entità della figura di rumore è direttamente correlata alla maggior parte delle tensioni di alimentazione del tubo ad onda progressiva. Ad esempio, se le tensioni agli elettrodi si discostano solo del 5% dal valore ottimale, la figura di rumore quasi raddoppia.

Struttura a onde lente ad elica controrotante

Figura 7: Linea di ritardo composta da bobine contra-avvolte

Diverse strutture della linea di ritardo

La linea di ritardo costituita da un filo elicoidale qui descritta può essere sostituita da altre strutture. Sono disponibili anche le cosiddette strutture ring-bar e ring-loop e le linee di ritardo a cavità accoppiate, che consistono in risonatori a cavità accoppiate. La scelta della struttura della linea di ritardo ha un’influenza significativa sui parametri ottenibili, come il fattore di amplificazione, la potenza di uscita e la larghezza di banda.

Linea di ritardo costituita da bobine avvolte in modo opposto

Un passo intermedio nello sviluppo delle strutture ring-loop e a ring-bar è la linea di ritardo costituita da bobine avvolte in modo opposto (vedi Figura 7). Le due bobine devono avere le stesse dimensioni. Dove le due bobine si incrociano, sono in contatto tra loro. Questo tipo di linea di ritardo è meno sensibile alle onde di ritorno e consente quindi tensioni e correnti più elevate e quindi potenze di uscita maggiori. Lo svantaggio è che ha una larghezza di banda inferiore rispetto alle bobine semplici.

Ring-Loop Linea di ritardo
Ring-Loop slow wave structure

Figura 8: Linea di ritardo ad anello (ring-loop)

Una linea di ritardo ring-loop utilizza anelli concentrici collegati da spire. Rispetto ai tradizionali tubi a onda mobile elicoidale, questi dispositivi sono in grado di erogare una potenza maggiore, ma hanno una larghezza di banda molto più stretta, pari solo al 5-15% della frequenza centrale, e una frequenza di taglio inferiore, pari a circa 18 GHz, a causa della capacità trasversale delle superfici degli anelli.

Le caratteristiche speciali in condizioni operative sono l’elevata impedenza di accoppiamento e la minore suscettibilità alla generazione di armoniche. I tubi a onde progressive con linea di ritardo ad anello possono raggiungere un fattore di amplificazione molto elevato (40 … 60 dB). Sono meccanicamente un po’ più piccoli e consentono una tensione operativa più elevata con un rischio minore di autoeccitazione da parte delle onde di ritorno.

Ring-Bar slow wave structure

Figura 9: Linea di ritardo ad anello (ring-bar)

Linea di ritardo ad anello (ring-bar)

La linea di ritardo ad anello è stata sviluppata a partire dalla linea di ritardo con bobine avvolte in modo opposto. È molto facile da produrre lavorando un sottile tubo di rame con un taglio laser preciso.

Struttura a onde lente a cavità accoppiata

Figura 10: Linea di ritardo a cavità accoppiata

Linea di ritardo a cavità accoppiata (Coupled-Cavity)

La formazione di una linea di ritardo di questo tipo può essere immaginata come una guida d’onda ripiegata a meandro con un diaframma in ogni piega per l’adattamento. Si tratta quindi di una linea di deviazione per adattare le velocità di propagazione.

Il tubo ad onda progressiva a cavità accoppiate utilizza come linea di ritardo risonatori a cavità accordate, attraverso i quali scorre la corrente di elettroni e che presentano fessure alternate, dando luogo a una linea accoppiata. Il percorso RF (in blu nel diagramma) attraversa a zig-zag le fessure di accoppiamento dei risonatori e quindi incrocia costantemente la corrente di elettroni (in rosso nel diagramma).

Grazie all’elevata qualità dei singoli risonatori, il tubo ad onda progressiva a cavità accoppiate presenta una migliore frequenza di taglio superiore con un aumento significativo della potenza, ma anche una larghezza di banda molto stretta a causa dei risonatori dipendenti dalla frequenza. I tubi a onde mobili a cavità accoppiate raggiungono una potenza d’impulso di oltre 100 kW con una potenza d’onda continua di circa 25 kW.

Galleria di immagini di tubi ad onda progressiva

Figura 11: Tubo ad onda progressiva ad alte prestazioni VTR 572B
utilizzato nel radar HADR

Figura 12: Tubo ad onda progressiva russo di bassa potenza UV-1B (kyr.: УВ-1Б) utilizzato nel P-37 „Bar Lock“. (Le dimensioni nell’ingrandimento sono indicate per 20 giri).

Fonte:

  1. Alexander S. Gilmour jr.: ’’Principles of Traveling Wave Tubes’’, (materiale formativo di accompagnamento al corso), marzo 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2