www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи на радиолокацията

Карцинотрон

Високочестотен изход

Изображение 1: Принципна схема на карцинотрон тип «О»

Високочестотен изход

Изображение 1: Принципна схема на карцинотрон тип «О»

Карцинотрон

Карцинотронът (от гръцката дума καρκίνος за плаващ назад рак, произношение: «каркинокс»), наричан още осцилатор с обратна вълна (Backward-Wave Oszillator, BWO) или в по-старата литература също опозитрон, е електронна лампа за генериране на трептения, чието предимство е електронната настройка в широк честотен диапазон. Карцинотронът (в оригинал: Carcinotron, търговска марка на фирмата Thomson-CSF, сега част от Thales) принадлежи към вакуумните лампи с модулация на скоростта на електроните и е т.нар. лампа с обратна вълна (Backward-Wave Tube, BWT).

Съществуват два вида лампи с обратна вълна, които се различават като тип «M» или «M-BWO» и тип «O» или «O-BWO». Лампите от тип «M» са лампи с кръстосани вълни, подобни на магнетрон. О от обозначението на типа «O» идва от френската дума за вълна (l’onde) и обозначава, че магнитното поле е в същата посока като електронния лъч и линията на закъснение за вълните.

Изобретението на осцилатор с обратна вълна е представено едновременно и независимо от Рудолф Компфнер (Rudolf Kompfner, австрийски учен, живеещ в Англия) от Bell Labs и от Бернард Епщайн (Bernard Epsztein) от Thomson-CSF. На 31 март 1951 г. Епщайн демонстрира работата на осцилатор с обратна вълна от тип «M» и го нарече Carcinotron. Подадена е заявка за патент (френски патент № 1 035 379;[1] британски патент № 699 893; американски патент № 2 880 355). През 1951 г. Компфнер изобретява осцилатор с обратна вълна от тип «O». Този патент е заявен на 15 май 1952 г. под номер US 2 985 790[2] в САЩ и е издаден на 23 май 1961 г.

Високочестотен
изход
атенюатор

Изображение 2: Схема на карцинотрон тип «O» със серпентинена вълноводна линия на закъснение.

Високочестотен
изход
атенюатор

Изображение 2: Схема на карцинотрон тип «O» със серпентинена вълноводна линия на закъснение.

Карцинотрон тип «O»

Карцинотронът тип «O» има конструкция, подобна на тази на лампата с бягаща вълна. Електронният лъч се фокусира от силно магнитно поле, което обаче не участва във взаимодействията. Закъснителната линия обикновено представлява нагънат вълновод, чиито размери определят широчината на честотната лента на лампата. За по-ниски изходни мощности могат да се използват и бифиларни намотки от проводници (вж. изображение 1). Както и при лампата с бягаща вълна, режимът на работа се основава на синхронното взаимодействие между високочестотната вълна в закъснителната линия и електронния лъч. Но докато в тръбата с подвижни вълни посоката на вълната в линията на закъснението се движи заедно с електронния лъч, в карцинотрона посоката е обратна. Когато вълната и електронният лъч се движат в противоположни посоки, електронният лъч действа като елемент на обратна връзка, като връща индуцираните промени в скоростта от изхода към входа.

Колебанията се генерират, когато има фазова дисперсия между скоростта на електрона и фазовата скорост на вълната по линията на закъснението. Скоростта на разпространение в закъснителната линия е постоянна. Скоростта на електроните в електронния лъч може да се променя чрез колекторния потенциал (на практика: промяна на анодното напрежение!). По този начин честотата на генерираните трептения може да се променя в доста широк диапазон.

Анод със закъснителна линия
ВЧ изход
Студен катод
Катод
Абсорбер
Колектор
Контролен
електрод

Изображение 3: Схема на карцинотрон тип «M»

 
Анод със закъснителна линия
ВЧ изход
Студен катод
Катод
Абсорбер
Колектор
Контролен
електрод

Изображение 3: Схема на карцинотрон тип «M»

Карцинотрон тип «M»

Осцилаторът с обратна вълна от тип «M» използва електрическо поле E между катодите и анода, както и перпендикулярно на него магнитно поле B, подобно на магнетрона, за кръгово отклонение на електронен лъч. Електроните се движат перпендикулярно на полето E и полето B със скорост Ve. Силно взаимодействие се наблюдава в случай на фазова дисперсия, т.е. когато фазовата скорост Vφ на високочестотната вълна в линията на закъснението съответства приблизително на скоростта на електроните Ve. Електроните получават допълнителна компонента на скоростта, което води до струпване на електрони. Електроните, които се намират в забавящото се електрическо поле на вълната в закъснителната линия, губят енергията, която са получили от статичното електрическо поле E, и отдават тази енергия на високочестотната обратна вълна. Обратната вълна има скорост Vrh и образува хармоничен резонанс в пространството с електронните лъчове, т.е. напрегнатостта на електрическото поле на обратната вълна достига максимум точно в точките, където електронните снопове също имат максимум.

Студеният катод е по-отрицателен от нагрятия катод, за да се избегне улавянето на електрони от студения катод, които са погълнали енергия по време на взаимодействието с полето на вълната в линията на закъснението. Тази мярка също така води до промяна на радиуса на електронните пътища малко след напускането на нагрятия катод. Колекторът C има аноден потенциал на напрежение и затваря веригата на карцинотрона.

Карцинотроните от тип «M» могат да работят и в резонансния диапазон на линията на закъснението. Това им дава по-добър коефициент на полезно действие (КПД), но те все още могат да запазят свойството си за електрическа настройка на честотата в рамките на определена честотна лента. Обикновено е достатъчно да се инсталира само един резонатор като отражател.

Електрически характеристики

Мощността, която може да се постигне с този тип лампи, е между 50 и 1 000 мВт. Честотите, които могат да бъдат генерирани, се простират в терахерцовия диапазон и са ограничени единствено от линията на закъснение. Обикновено широчината на честотната лента за настройка може да бъде повече от 10% от централната честота. В сравнение с други осцилаторни лампи тя има доста ниска ефективност - само около 20-30% (тип «O») и до 40% (тип «M»), която намалява още повече с увеличаване на честотата.

Карцинотроните се използват от началото на 60-те до края на 70-те години на миналия век в антирадарното смущаващо оборудване. След това те обикновено са заменени там с полупроводникови схеми. От 1980 г. нататък интерес представляват лабораторните приложения до горния терахерцов диапазон.

Честотен диапазон (GHz) Анодно
напрежение
(kV)
Изходна
мощност
(dBm)
VHF … J 0,1 … 20 0,2 … 2 13 … 17
D … K 1 … 40 0,1 … 0,8 17 … 30
K … O 35 … 260 0,4 … 1,9 8 … 16
Инфрачервен
диапазон
260 … 1 400 1 … 6 −3 … 10

Източници

  1. Patent FR1035379 (A): Bernard Epsztein, ''Backward flow travelling wave devices'', published 1959-03-31
  2. Patent US2985790 (A): Rudolf Kompfner, ''Backward-Wave Tube'', 1951-05-17, (Google Patents)