www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Nadajniki radarowy

Lampa o fali bieżącej

Czym jest lampa o fali bieżącej?

Rysunek 1: Podstawowa struktura lampy o fali bieżącej: ① działo elektronowe; ② magnes skupiający; ③ linia opóźniająca (tutaj spirala); ④ kolektor;

BRysunek 1: Podstawowa struktura lampy o fali bieżącej: ① działo elektronowe; ② magnes skupiający; ③ linia opóźniająca (tutaj spirala); ④ kolektor;

Rysunek 1: Podstawowa struktura lampy o fali bieżącej: ① działo elektronowe; ② magnes skupiający; ③ linia opóźniająca (tutaj spirala); ④ kolektor; (Obraz interaktywny)

Wyrzutnia elektronowa Magneten Magneten Magneten Helix Helix Helix Kolektor Kolektor Heizung Kathode Kathode Gitter Anode Attenuator Input output

Lampa o fali bieżącej

Lampy o fali bieżącej (LFB) (w jęz. ang.: Traveling Wave Tube, skrót: TWT, wymawia się jako „twit“) to lampy próżniowe stosowane jako niskoszumowe, szerokopasmowe wzmacniacze o wysokim wzmocnieniu. Lampa o fali bieżącej jest w stanie osiągnąć współczynniki wzmocnienia od 40 do 70 dB w paśmie o szerokości ponad dwóch oktaw[1]. Lampy o fali bieżącej zostały zbudowane dla częstotliwości od 300 MHz do 100 gigaherców[1]. Osiągalna moc wyjściowa waha się od kilku watów do ponad 10 MW. Lampa o fali bieżącej jest w zasadzie wzmacniaczem napięcia. Wraz z klistronami tworzą one grupę lamp liniowych w lampach z modulowaną prędkością. Istnieją dwa podstawowe typy lamp o fali bieżącej:

Obie grupy typów mają te same zasady działania i zawierają te same główne zespoły, jak pokazano na rys. 1. Różnią się jednak znacząco strukturą linii opóźniającej. Wysoka szerokość pasma i niski poziom szumów własnych sprawiają, że lampa o fali bieżącej jest idealnym wzmacniaczem w zakresie mikrofalowym. Ze względu na niski poziom szumów są one często stosowane w odbiornikach radarowych, nadajnikach radarowych i komunikacji satelitarnej.

Podstawowa struktura lamp o fali bieżącej

Podstawową strukturę lampy o fali bieżącej przedstawiono na rysunku 1. Lampa elektronowa składa się z czterech elementów:

  1. Wyrzutnia elektronowa, która wytwarza wiązkę elektronów i przyspiesza ją w kierunku osi podłużnej tuby;
  2. Magnetyczne urządzenie ogniskujące które generuje magnetyczne pole prowadzące wzdłuż osi wiązki elektronów i ogniskuje ją w wąską wiązkę;
  3. Linia opóźniająca jako obwód interakcji, na przykład spirala druciana, która tworzy linię o niskiej impedancji wewnątrz rury dla wysokiej częstotliwości;
  4. Kolektor Wiązka elektronów jest spowalniana i odchylana w kolektorze po przejściu przez linię opóźniającą.

Wszystkie te elementy lampy elektronowej znajdują się w szklanym lub ceramicznym korpusie, w którym panuje wysoka próżnia. Wejścia i wyjścia mogą być poprowadzone za pomocą kabli koncentrycznych lub połączeń falowodowych. Możliwe jest również zapewnienie izolacji galwanicznej za pomocą sprzęgaczy kierunkowych.

Rysunek 2: Warianty magnetycznego urządzenia ogniskującego: a) elektromagnes; b) magnes stały; c) okresowe magnesy stałe

Rysunek 2: Warianty magnetycznego urządzenia ogniskującego: a) elektromagnes; b) magnes stały; c) okresowe magnesy stałe

Wyrzutnia elektronowa

Wyrzutnia elektronowa jest zbudowana w podobny sposób jak wszystkie lampy elektronopromieniowe. Składa się głównie z pośrednio ogrzewanej katody, która musi zostać podgrzana za pomocą spirali grzewczej do temperatury od 850° do 1 100° Celsjusza w celu wyemitowania wystarczającej liczby elektronów. Wokół katody przymocowana jest nieogrzewana płyta, która ma potencjał katody lub otrzymuje nieco bardziej ujemne napięcie niż katoda. Powoduje to wypychanie elektronów w kierunku anody. Jedna lub więcej anod przyspiesza elektrony do użytecznej prędkości. Elektrony mogą przechodzić przez anodę przez otwór lub siatkę i przemieszczać się przez linię opóźniającą jako wiązka elektronów.

Wyrzutnia elektronowa jest ekranowana w celu ochrony przed powstającym promieniowaniem jonizującym.

Magnetyczne urządzenie ogniskujące

Magnetyczne urządzenie ogniskujące otaczające wiązkę elektronów i linię opóźniającą łączy elektrony w bardzo cienką wiązkę. Magnes ten może być magnesem stałym lub elektromagnesem (patrz rys. 2a). Magnes stały ma tę zaletę, że nie wymaga zasilania i jest zawsze dostępny. Jego wadą jest to, że strumień magnetyczny nie może być regulowany w celu zoptymalizowania wydajności lampy.

Jeśli z konieczności dość duży pojedynczy magnes (patrz rys. 2b) zostanie zastąpiony kilkoma mniejszymi magnesami, można znacznie zmniejszyć rozmiar i całkowitą wagę wzmacniacza tubowego (patrz rys. 2c).

Pomiędzy magnesem a lampą znajduje się aluminiowa obudowa zapewniająca ekranowanie. Nie można stosować materiałów ferromagnetycznych, ponieważ wpływają one na pole magnetyczne. Zewnętrzne zakłócające pola magnetyczne mogą wpływać na jednorodność wewnętrznego pola magnetycznego, a nawet uniemożliwić korzystanie z lampy. Z tego powodu tuby z falą bieżącą są dostarczane w ponadwymiarowych opakowaniach, aby zagwarantować wystarczającą odległość od tych zakłócających pól.

Sygnał
wejściowy HF
Efekt powłoki
tłumiącej
Napięcie indukowane
w spirali
Modulacja gęstości
elektronów

Rysunek 3: Wzmocnienie sygnału HF w spirali

Sygnał
wejściowy HF
Efekt powłoki
tłumiącej
Napięcie indukowane
w spirali
Modulacja gęstości
elektronów

Rysunek 3: Wzmocnienie sygnału HF w spirali

Linia opóźniająca

Elektrony w wiązce elektronów poruszają się znacznie wolniej niż prędkość światła. W zależności od napięcia anodowego, które może wynosić od 4 do 120 kV, prędkość elektronów wynosi od 10 do 50% prędkości światła. W linii prędkość propagacji fali elektromagnetycznej wynosi od 66 do 80% prędkości światła. Linia opóźniająca musi zatem zapewnić, że wysoka częstotliwość przemieszczająca się w niej zostanie zredukowana do prędkości elektronów. Odbywa się to zawsze za pomocą linii rozdzielających. Mogą one być wygięte w formie spirali lub przebiegać zygzakiem.

Kolektor

Kolektor jest również elektrodą lampy o fali bieżącej. Zwykle znajduje się na potencjale ziemi, podczas gdy katoda otrzymuje bardzo wysokie napięcie ujemne. Działa on zatem również jako anoda. Jeśli do lampy nie jest przyłożone napięcie wejściowe, kolektor musi być w stanie pochłonąć całą energię wiązki elektronów. W przypadku lamp o wyższej mocy wyjściowej, kolektor musi być chłodzony wymuszonym obiegiem powietrza. Można to zrobić za pomocą przepływu powietrza lub chłodzenia cieczą. W lampach o fali bieżącej wykorzystywanych w przestrzeni kosmicznej odbywa się to za pomocą chłodzenia radiacyjnego. W wysokowydajnych lampach o fali bieżącej kolektor ma strukturę wielostopniową, jak pokazano na rysunku 1.

Przyspieszenie
Opóźnienie
Paketbildung

Rysunek 4: Modulacja prędkości elektronów i późniejsze tworzenie pakietów

Przyspieszenie
Opóźnienie
Tworzenie pakietów

Rysunek 4: Modulacja prędkości elektronów i późniejsze tworzenie pakietów

Zasada działania

Napięcie wejściowe o wysokiej częstotliwości generuje dodatkowe pole elektryczne, które jest opóźniane przez linię opóźniającą, dzięki czemu ma taką samą prędkość propagacji jak wiązka elektronów, a zatem może oddziaływać na niektóre elektrony przez dłuższy czas. W dodatniej połowie fali oscylacji elektrony są dodatkowo przyspieszane, podczas gdy w ujemnej połowie fali są one spowalniane. Proces ten nazywany jest modulacją prędkości w lampach z opóźnieniem czasowym. Teraz wolniejsze elektrony są dogonione przez szybsze elektrony. Powoduje to powstawanie pakietów elektronów (patrz rysunek 4).

Powoduje to jednak, że fala elektromagnetyczna traci energię na rzecz elektronów. Ponadto warstwa tłumiąca działa tak, że fala zmniejsza swoją energię prawie do zera. Ta warstwa tłumiąca zapobiega również sprzężeniu zwrotnemu, które prowadziłoby do samowzbudzenia.

Bild 5: Verdrängung von Elektronen in den Drähten der Wendel

Rysunek 5: Przemieszczenie elektronów w drutach spirali przez identyczne ładunki

Niemniej jednak, wiązanie elektronów w wiązce elektronów nadal trwa. Prędkość elektronów jest nadal różna, więc tworzenie pakietów jest zintensyfikowane. Tworzenie pakietów jest aktywne na całej długości wiązki elektronów, a pakiety elektronów są największe na końcu helisy. Teraz wiązki elektronów przekazują energię do linii opóźniającej. Przemieszczają one elektrony w drutach spirali, dzięki czemu ponownie powstaje tam oscylacja. Oscylacja ta jest teraz stale wzmacniana, a amplituda napięcia HF wzrasta znacznie powyżej wartości początkowej.

Oscylacja w linii opóźniającej jest generowana z przesunięciem fazowym -90° w stosunku do sygnału wejściowego. Elektrony w wiązce elektronów są spowalniane przez transfer energii do oscylacji. W niektórych lampach o fali bieżącej spirala jest zatem nieco węższa na końcu rury niż na wejściu, dzięki czemu ta niższa prędkość jest kompensowana.

Charakterystyka elektryczna
Pwyjście
Pwejście

Rysunek 6: Krzywa charakterystyczna lampy o fali bieżącej

Kennlinie einer Lampa o fali bieżącej
Pwyjście
Pwejście

Rysunek 6: Krzywa charakterystyczna lampy o fali bieżącej

Amplifikacja mocy

W lampie o fali bieżącej występuje w rzeczywistości tylko amplifikacja napięcia. Ponieważ impedancja linii jest stała, wyższe napięcie skutkuje wyższym prądem, a oba razem skutkują wyższą mocą. Osiągalne wzmocnienie mocy zależy zasadniczo od następujących czynników:

Rysunek 6 pokazuje liniowy zakres dla niskiej mocy wejściowej, a tym samym stałe wzmocnienie mocy wynoszące około 26 dB. Jeśli moc wejściowa jest zwiększana, moc wyjściowa nie wzrasta dalej, tj. współczynnik wzmocnienia maleje. Występuje efekt ograniczający, dzięki czemu kolejny etap (np. etap mieszania) nie jest przesterowany w przypadku bardzo silnych sygnałów wejściowych.

Szerokość pasma

Ponieważ efekt wzmocnienia w tubie z falą ruchomą jest osiągany poprzez interakcję między wiązką elektronów a falą przesuwającą się na linii opóźniającej, zachowanie częstotliwości spirali jest przede wszystkim odpowiedzialne za osiągalną szerokość pasma. Niezależny od częstotliwości rozkład pola na linii jest osiągany tylko wtedy, gdy linia ta jest obsługiwana w dostosowany sposób. Adaptacja ta może być utrzymana tylko w ograniczonym paśmie częstotliwości, ale w przypadku spirali nadal wynosi wartości do rzędu wielkości ponad dwóch oktaw. Jeśli jednak linia ta zawiera elementy rezonansowe, wówczas szerokość pasma zależy od ich odpowiedzi częstotliwościowej. W lampach o fali bieżącej z linią opóźniającą składającą się ze sprzężonych rezonatorów wnękowych, szerokość pasma wynosi zatem tylko 10 … 20% częstotliwości środkowej.

Współczynnik szumów

Jeśli lampa o fali bieżącej jest używana jako niskoszumowy przedwzmacniacz RF w odbiorniku radarowym, jej najważniejszym parametrem jest współczynnik szumów. Parametr ten zasadniczo określa czułość odbiornika, a tym samym maksymalny zasięg radaru. Współczynnik szumów dla obecnie używanych lamp o fali bieżącej wynosi od 3 do 10 dB. Istnieją trzy nieuniknione przyczyny nieodłącznego szumu lampy radarowej:

Wielkość współczynnika szumów jest bezpośrednio związana z większością napięć zasilania lampy. Na przykład, jeśli napięcia na elektrodach odbiegają tylko o 5% od wartości optymalnej, współczynnik szumów wzrośnie prawie dwukrotnie.

Contra-wound Helix slow wave structure

Rysunek 7: Linia opóźniająca wykonana z przeciwbieżnie nawiniętej spirali

Różne struktury linii opóźniającej

Opisana tutaj linia opóźniająca składająca się ze spirali z drutu może być zastąpiona innymi strukturami. Dostępne są również tak zwane struktury ring-bar i ring-loop, a także linie opóźniające ze sprzężoną wnęką, które składają się ze sprzężonych rezonatorów wnęka-wnęka. Wybór struktury linii opóźniającej ma znaczący wpływ na osiągalne parametry, takie jak współczynnik wzmocnienia, moc wyjściowa i szerokość pasma.

Linia opóźniająca składająca się z helis nawiniętych w przeciwnych kierunkach

Pośrednim krokiem w rozwoju struktury ring-loop i ring-bar jest linia opóźniająca składająca się z helis nawiniętych w przeciwnych kierunkach (patrz rys. 7). Obie helisy muszą mieć takie same wymiary. Tam, gdzie dwie helisy krzyżują się, stykają się ze sobą. Ten typ linii opóźniającej jest mniej wrażliwy na fale wsteczne i dlatego pozwala na wyższe napięcia i prądy, a tym samym wyższe moce wyjściowe. Wadą jest to, że mają one niższą przepustowość niż proste spirale.

Pierścieniowa linia opóźniająca
Ring-Loop slow wave structure

Ilustracja 8: Pierścieniowa linia opóźniająca

Linia opóźniająca typu ring-loop wykorzystuje koncentryczne pierścienie połączone pętlami. W porównaniu z konwencjonalnymi lampami o spiralnej fali bieżącej, urządzenia te są w stanie dostarczyć wyższą moc, ale mają znacznie węższe pasmo przenoszenia wynoszące zaledwie 5 do 15% częstotliwości środkowej, a także niższą częstotliwość odcięcia wynoszącą około 18 GHz ze względu na poprzeczną pojemność powierzchni pierścieni.

Szczególnymi cechami w warunkach roboczych są wysoka impedancja sprzężenia i mniejsza podatność na generowanie harmonicznych. Lampy o fali bieżącej z linią opóźniającą z pętlą pierścieniową mogą osiągać bardzo wysoki współczynnik wzmocnienia (40 … 60 dB). Są one mechanicznie nieco mniejsze i pozwalają na wyższe napięcie robocze przy niższym ryzyku samowzbudzenia przez fale wsteczne.

Ring-Bar slow wave structure

Rysunek 9: Pierścieniowa linia opóźniająca

Pierścieniowa linia opóźniająca

Pierścieniowa linia opóźniająca została opracowana na bazie linii opóźniającej wykonanej ze spirali nawiniętych w przeciwnych kierunkach. Jest ona bardzo łatwa w produkcji dzięki obróbce cienkiej miedzianej rurki za pomocą precyzyjnego cięcia laserowego.

Coupled-cavity slow wave structure

Rysunek 10: Linia opóźniająca ze sprzężoną wnęką

Linia opóźniająca ze sprzężoną wnęką

Tworzenie linii opóźniającej z rezonatorami wnękowymi można sobie wyobrazić jako złożony falowód w kształcie meandra z membraną w każdym zagięciu w celu dopasowania. Jest to zatem w rzeczywistości linia rozdzielająca do dostosowywania prędkości propagacji.

Sprzężona wnękowa tuba falowa wykorzystuje dostrojone rezonatory wnękowe jako linię opóźniającą, przez którą przepływa prąd elektronowy i która ma naprzemienne szczeliny, co skutkuje sprzężoną linią. Ścieżka RF (niebieska na schemacie) zygzakuje przez szczeliny sprzęgające w rezonatorach wnękowych, a tym samym stale przecina prąd elektronowy (czerwony na schemacie).

Ze względu na wysoką jakość poszczególnych rezonatorów wnękowych, sprzężona wnękowa lampa o fali bieżącej ma lepszą górną częstotliwość odcięcia przy znacznym wzroście mocy, ale także bardzo wąskie pasmo przenoszenia ze względu na rezonatory wnękowe zależne od częstotliwości. Tuby ze sprzężoną wnęką osiągają ponad 100 kW mocy impulsu przy około 25 kW mocy fali ciągłej.

Galeria zdjęć lamp o fali bieżącej

Rysunek 11: Wysokowydajna tuba o fali bieżącej VTR 572B
używana w radarze HADR

Rysunek 12: Rosyjska tuba o małej mocy UV-1B (kyr.: УВ-1Б) używana w P-37 „Bar Lock“ (Wymiary w powiększeniu podano dla 20 zwojów).

Źródło:

  1. Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (kurs towarzyszący materiałom szkoleniowym), marzec 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2