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Tubo de onda progressiva

O que é um tubo de ondas progressivas?

Figura 1: Construção física de um TWT: ① Canhão de elétrons; ② ímã circundante; ③ Estrutura de ondas lentas (aqui: Helix); ④ coletor;

Figure 1: Physical construction of a TWT

Figura 1: Construção física de um TWT: ① Canhão de elétrons; ② ímã circundante; ③ Estrutura de ondas lentas (aqui: Helix); ④ coletor; (imagem interativa)

Helix Kollektor Kollektor Heizung Kathode Kathode Gitter Anode Attenuator Input output

Tubo de onda progressiva

O tubo de ondas progressivas (TOP) (em inglês: Traveling Wave Tubes, abreviatura: TWT, pronunciado “twit”) são tubos de vácuo utilizados como amplificadores de banda larga de microondas de alto ganho, baixo ruído e largura de banda larga. Um TWT é capaz de ganhos de 40 a 70 dB com larguras de banda superiores a duas oitavas.[1](Uma largura de banda de 1 oitava é aquela em que a frequência superior é o dobro da frequência inferior). Os TWT foram concebidos para frequências tão baixas como 300 Megahertz e tão altas como 100 Gigahertz.[1] O nível de potência varia entre alguns watts e 10 MW. O TWT é principalmente um amplificador de tensão. Juntamente com os klystrons formam um grupo especial de tubos de feixe linear no contexto de tubos com modulação de velocidade. Existem dois tipos principais de TWT:

Ambos os tipos têm os mesmos princípios operacionais e incorporam os componentes básicos mostrados na Figura 1. Eles diferem principalmente na construção da estrutura de ondas lentas. As características de largura de banda larga e baixo ruído tornam o TWT ideal para uso como um amplificador de RF em equipamentos de microondas. Por causa da característica especial de baixo ruído, eles são amplamente utilizados como um elemento amplificador de RF ativo em receptores e transmissores de microondas em sistemas de radar e em comunicações espaciais.

Construção física

A construção física de um TWT típico é mostrada na Figura 1. Consiste em quatro elementos básicos:

  1. Electron gun que produz e depois acelera um feixe de elétrons ao longo do eixo do tubo,
  2. Sistema de foco de feixe de elétrons magnético que fornece um campo magnético ao longo do eixo do tubo para focalizar os elétrons em um feixe estreito
  3. Estrutura de onda lenta como circuito de interação RF, Exemplo um fio espiralado (Helix) no centro do tubo, que fornece uma linha de transmissão de baixa impedância para a energia de RF dentro do tubo;
  4. Coletor O feixe de elétrons é recebido no coletor após passar pela estrutura de ondas lentas.

Todos os componentes do TWT são mantidos sob um vácuo muito alto. A entrada e saída de RF podem acoplar e remover da hélice por acopladores direcionais de guia de ondas que não têm conexão física com a helix.

Figura 2: Variantes de ímãs: a) solenóide; b) ímã permanente; c) ímãs permanentes periódicos

Figura 2: Variantes de ímãs: a) solenóide; b) ímã permanente; c) ímãs permanentes periódicos

Canhão de elétrons

A canhão de elétrons é semelhante em construção como em todos os tubos de raios catódicos. Consiste em um cátodo aquecido indireto, que deve ser aquecido a uma temperatura entre 850 ° e 1 100° Celsius (≙ 1 500° a 2 000° Fahrenheit) para produzir uma emissão apreciável de elétrons. Uma grade de foco com o mesmo potencial que o cátodo (ou um pequeno viés negativo de até -20 Volts em relação ao cátodo) direciona os elétrons na direção desejada. Um ou mais ânodos são usados para gerar a velocidade eletrônica necessária. O feixe passa os ânodos através de um buraco ou grade e viaja através da estrutura de ondas lentas.

A Canhão de elétrons é coberta por uma caixa de proteção para evitar radiação perigosa.

Ímã circundante

O ímã circundante fornece um campo magnético ao longo do eixo do tubo para focar os elétrons em um feixe apertado. Esse ímã pode ser um ímã permanente ou um elemento de foco do solenóide (eletromagnético) (consulte a Figura 2a). Um ímã permanente não precisa de uma fonte de alimentação e garante que o campo magnético esteja sempre presente. A desvantagem é que um ímã permanente não fornece um ajuste do campo magnético para otimizar o desempenho dos tubos.

Se um único ímã permanente (veja a Figura 2b) for substituído por vários ímãs menores, o tamanho e o peso total da estrutura do ímã serão reduzidos (veja a Figura 2c).

A caixa é geralmente feita de alumínio para evitar a influência perturbadora de materiais ferromagnéticos. Materiais magnéticos extrínsecos podem interferir no campo magnético uniforme e destruir o tubo de ondas que viaja. Portanto, a embalagem de um tubo de onda itinerante tem dimensões grandes demais.

Entrada RF
influência de
cobertura atenuante
RF induzido no Helix
agrupamento de
feixe de elétrons

Figura 3: Sinal de helix amplificado

Entrada RF
influência de
cobertura atenuante
RF induzido no Helix
agrupamento de
feixe de elétrons

Figura 3: Sinal de helix amplificado

Estrutura de onda lenta

Como o feixe de elétrons no tubo deve obviamente viajar mais devagar que a velocidade da luz, deve haver alguns meios para diminuir a velocidade de avanço da onda eletromagnética. A velocidade do feixe de elétrons de um TWT é de 10 a 50% da velocidade da luz. A velocidade depende da tensão do cátodo que pode estar entre 4 e 120 Kilovolts. A desaceleração é feita por meio de uma estrutura de onda lenta, na qual a onda eletromagnética se propaga.

Coletor

O coletor é um eletrodo de tensão do TWT. É o mesmo potencial que o corpo do tubo, e isso geralmente está no chão. Na ausência de um sinal de entrada, toda a energia do feixe deve ser dissipada no coletor. O arrefecimento forçado a ar ou líquido do coletor é necessário em TWTs de alta potência. Os TWTs de alta potência geralmente usam coletores de vários estágios, como mostra a Figura 1.

aceleração
desaceleração
Agrupar

Figura 4: Agrupamento de feixe de elétrons

aceleração
desaceleração
Agrupar

Figura 4: Agrupamento de feixe de elétrons

Descrição funcional

A tensão de entrada cria um campo elétrico axial adicional que se move tão rápido quanto o feixe de elétrons no fio da helix. Esse campo elétrico acelera (na meia onda positiva) ou desacelera (na meia onda negativa) os elétrons no feixe de elétrons. Esse processo é chamado de modulação de velocidade. Se os elétrons do feixe fossem acelerados para viajar mais rápido do que as ondas que viajam no fio, o agrupamento de elétrons ocorreria pelo efeito da modulação de velocidade. (veja a figura 4)

Ao fornecer energia ao feixe de elétrons, a potência da onda em movimento diminui. O atenuador adicional causa uma diminuição para zero. Este atenuador também impede que as ondas refletidas viajem de volta pela helix.

Figura 5: Repulsão dos elétrons no fio da helix

Figura 5: Repulsão dos elétrons no fio da helix

No entanto, a modulação de velocidade ainda é eficaz no feixe de elétrons. Os elétrons mais rápidos alcançam os elétrons mais lentos e ocorre o agrupamento. O agrupamento do feixe de elétrons já começa no início da hélice e atinge sua expressão mais alta no final da hélice. Os feixes de elétrons no feixe liberam energia para o fio da estrutura de ondas lentas. Eles repelem os elétrons no fio e geram uma nova onda que viaja na hélice. A energia dos cachos aumentaria a amplitude da onda viajante em uma ação progressiva que ocorreria ao longo de todo o comprimento do TWT.

A injeção da onda na estrutura de ondas lentas (como mostra a Figura 5) causa uma mudança de fase de -90 graus em relação à forma de onda inicial. Quando os elétrons entregam sua energia à onda na helix, eles diminuem a velocidade. Em alguns TWTs, a helix é mais estreita no final do tubo. Isso diminui a velocidade da onda eletromagnética na estrutura de ondas lentas.

Características de um TWT
Pout
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Figura 6: Característica de um tubo de onda progressiva

característica de um tubo de onda progressiva
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Figura 6: Característica de um tubo de onda progressiva

Amplificação de potência

A amplificação de potência atingível depende essencialmente dos seguintes fatores:

Como mostrado na Figura 6, o ganho de um determinado TWT possui uma característica linear de cerca de 26 dB com pequena potência de entrada. Se você aumentar a potência de entrada, a potência de saída não aumenta para o mesmo ganho. Assim, você pode evitar uma saturação, por exemplo, do misturador no receptor de radar. A eficiência relativamente baixa do TWT compensa parcialmente as vantagens de alto ganho e ampla largura de banda.

Largura de banda

O ganho de um TWT é afetado pela interação dos elétrons com o campo elétrico causado pela onda na estrutura de ondas lentas. A eficácia depende da resposta em frequência da estrutura de ondas lentas. Uma helix pode ter uma largura de banda de mais de duas oitavas. Se a estrutura de ondas lentas contiver partes ressonantes, a largura de banda dependerá de sua resposta de frequência. A largura de banda dos TWTs de cavidade acoplada comumente usados é de cerca de 10 a 20% da frequência central.

Figura de ruído

O parâmetro mais importante para o uso do tubo de onda progressiva como pré-amplificador em receptores de radar é a figura de ruído do tubo de onda progressiva. Isso determina a sensibilidade do receptor e, portanto, o alcance máximo do radar. O número de ruído dos TWTs usados recentemente é de 3 a 1010 dB. Existem três fontes inevitáveis de ruído em um tubo de ondas itinerantes:

O valor do ruído depende do tamanho da maioria das tensões de alimentação do tubo de onda progressiva. Por exemplo, se as tensões nos eletrodos forem 5% menores que os valores ótimos, o número de ruído aproximadamente dobra.

Estrutura de onda lenta Helix contra-enrolada

Figura 7: Estrutura de onda lenta Helix contra-enrolada

Estruturas de ondas lentas diferentes

A hélice descrita anteriormente pode ser substituída por alguma outra estrutura de ondas lentas, como uma barra de anel, ou estrutura de cavidade acoplada. A estrutura é escolhida para fornecer a característica apropriada às características de ganho/largura de banda e potência desejadas.

Hélice Contra-ofensa

Uma helix contra-ofensa usa duas helix enroladas em direções opostas. Ambas as helix devem ser idênticas em dimensões. Uma helix contra-ofensa é menos sensível a interações de ondas inversas e, portanto, permite tensões operacionais, correntes e energia mais altas. A penalidade por essas vantagens é que a largura de banda é menor que a de uma única helix.

TWT em anel
Estrutura de ondas lentas em anel

Figura 8: Estrutura de ondas lentas em anel

Um TWT de loop de anel usa loops como estrutura de onda lenta para amarrar os anéis. Esses dispositivos são capazes de níveis de energia mais altos do que os TWTs de helix convencional, mas possuem significativamente menos largura de banda de 5 a 15% e frequência de corte mais baixa de 18 GHz.

O recurso da estrutura de ondas lentas do anel-anel é alta impedância de acoplamento e componentes de ondas harmônicas baixas. Portanto, o tubo de onda progressiva de anel circular possui vantagens de alto ganho (40 a 60 decibéis), dimensão pequena, tensão operacional mais alta e menor risco de oscilação da onda inversa.

Estrutura de ondas lentas em barra de anel

Figura 9: Estrutura de ondas lentas em barra de anel

Barra de anel TWT

O TWT em barra de anel foi desenvolvido a partir da hélice contra-ofensa e tem as mesmas características provavelmente do TWT em anel. Essa estrutura de onda lenta é muito fácil de fazer com cortes a laser precisos em um tubo de cobre fino.

Estrutura de onda lenta de cavidade acoplada

Figura 10: Estrutura de onda lenta de cavidade acoplada

TWT de cavidade acoplada

O TWT de cavidade acoplada utiliza uma estrutura de onda lenta de uma série de cavidades acopladas uma à outra. As cavidades ressonantes são acopladas a uma linha de transmissão. O feixe de elétrons (mostrado na Figura 9 como feixe vermelho) é modulado em velocidade por um sinal de entrada de RF na primeira cavidade ressonante. Essa energia de RF (exibida como seta azul) viaja ao longo das cavidades e induz tensões de RF em cada cavidade subsequente.

Se o espaçamento das cavidades for ajustado corretamente, as tensões em cada cavidade induzida pelo feixe modulado estão em fase e viajam ao longo da linha de transmissão até a saída, com um efeito aditivo, de modo que a potência de saída é muito maior que a entrada de potência.

Galeria de imagens de tubos de ondas progressivas

Figura 11: TWT VTR 572B de alta potência
usado no radar HADR

Figura 12: TWT UV-1B russo de baixa potência (cirílico: УВ-1Б) usado no P-37 “Bar Lock” (a medida na ampliação de detalhes é dada para 20 enrolamentos)

Sources and ressorces:

  1. Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (Course-related training material), March 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2