Yürüyen dalga tüpü - Traveling-wave tube

Bir sarmal TWT'nin kesit görünümü. (1) Elektron tabancası; (2) RF girişi; (3) Mıknatıslar; (4) Zayıflatıcı; (5) Helis bobin; (6) RF çıkışı; (7) Vakum tüpü; (8) toplayıcı
Rus Gorizont iletişim uydularında kullanılan 1980'lerden Ruselectronics TWT

Bir hareket eden dalga tüp ( TWT , telaffuz "aptal") ya da seyahat dalga tüp amplifikatör ( TWTA bir uzmanlaşmış, "tweeta" telaffuz) vakum tüpü kullanılan elektronik büyütülmesi için radyo frekansı (RF) gibi sinyalleri mikrodalga aralığı. TWT , radyo dalgasının tüpten geçerken bir elektron demetinden gelen gücü emerek güçlendirildiği klistron gibi bir "doğrusal ışın" tüpleri kategorisine aittir . Çeşitli TWT türleri olmasına rağmen, iki ana kategori vardır:

  • Helix TWT - radyo dalgalarının , ışını çevreleyen bir tel sarmal boyunca ilerlerken elektron ışını ile etkileşime girdiği . Bunlar geniş bant genişliğine sahiptir, ancak çıkış gücü birkaç yüz watt ile sınırlıdır.
  • Birleştirilmiş boşluklu TWT - radyo dalgasının, kirişin içinden geçtiği bir dizi boşluk rezonatöründe kiriş ile etkileştiği yer . Bunlar dar bant güç amplifikatörleri olarak işlev görür.

TWT'nin diğer bazı mikrodalga tüplerine göre büyük bir avantajı, geniş bir frekans aralığını, yani geniş bir bant genişliğini yükseltme yeteneğidir . Helezon TWT'nin bant genişliği iki oktav kadar yüksek olabilirken , boşluklu versiyonlar %10-20 bant genişliğine sahiptir. Çalışma frekansları 300 MHz ila 50 GHz arasındadır. Tüpün güç kazancı 40 ila 70 desibel mertebesindedir ve çıkış gücü birkaç watt ile megawatt arasında değişir .

TWT'ler, tüm mikrodalga vakum tüplerinin satış hacminin %50'sinden fazlasını oluşturmaktadır. Bunlar yaygın olarak güç amplifikatörleri ve olarak kullanılan osilatör içinde radar sistemleri, haberleşme uydu ve uzay aracı vericileri ve elektronik harp sistemleri.

sarmal TWT diyagramı

Açıklama

Temel Bir TWT

TWT, bir ucunda bir elektron tabancası ( elektron yayan ısıtılmış bir katot ) bulunan uzun bir vakum tüpüdür . Katot ve anot boyunca uygulanan bir voltaj , elektronları tüpün uzak ucuna doğru hızlandırır ve tüpün etrafındaki harici bir manyetik alan, elektronları bir ışına odaklar. Tüpün diğer ucunda elektronlar, onları devreye geri döndüren "toplayıcıya" çarpar.

Tüpün iç kısmına, ışın yolunun hemen dışına sarılmış, tipik olarak oksijensiz bakır olan bir tel sarmaldır . Amplifiye edilecek RF sinyali, tüpün emitör ucuna yakın bir noktada sarmalın içine beslenir. Sinyal normalde bir uca yerleştirilmiş bir dalga kılavuzu veya elektromanyetik bobin aracılığıyla sarmalın içine beslenir ve tek yönlü bir sinyal yolu, bir yönlü kuplör oluşturur .

Hızlanan voltajı kontrol ederek, tüpten aşağı akan elektronların hızı, sarmaldan aşağı akan RF sinyalinin hızına benzer olacak şekilde ayarlanır. Teldeki sinyal, elektronların aktığı sarmalın merkezinde bir manyetik alanın indüklenmesine neden olur. Sinyalin fazına bağlı olarak, elektronlar sargılardan geçerken ya hızlanacak ya da yavaşlayacaktır. Bu, elektron demetinin teknik olarak "hız modülasyonu" olarak bilinen "bir araya gelmesine" neden olur. Işındaki elektron yoğunluğunun ortaya çıkan modeli, orijinal RF sinyalinin bir analoğudur.

Işın hareket ederken sarmalı geçtiğinden ve bu sinyal değiştiğinden, orijinal sinyali güçlendirerek sarmalda indüksiyona neden olur. Tüpün diğer ucuna ulaştığında, bu işlemin önemli miktarda enerjiyi sarmalın içine geri yatırması için zamanı olmuştur. Kollektörün yanına yerleştirilmiş ikinci bir yönlü kuplör, RF devresinin uzak ucundan giriş sinyalinin güçlendirilmiş bir versiyonunu alır. RF devresi boyunca yerleştirilen zayıflatıcılar, yansıyan dalganın katoda geri dönmesini engeller.

Daha yüksek güçlü sarmal TWT'ler genellikle hem sarmal destek çubuğu olarak hem de özel elektriksel, mekanik ve termal özelliklerinden dolayı TWT için bir elektron toplayıcı olarak berilyum oksit seramik içerir .

Karşılaştırmak

Dalga kılavuzu girişi ve çıkışı ile 1976'dan itibaren Sovyet UV-1008 (УВ-1008) TWT

Toplu olarak hız modülasyonlu tüpler olarak bilinen TWT'ye benzer şekilde çalışan bir dizi RF amplifikatör tüpü vardır. En iyi bilinen örnek klistrondur . Bu tüplerin tümü, amplifikasyon sürecini sağlamak için elektronların aynı temel "gruplaşmasını" kullanır ve hız modülasyonunun meydana gelmesine neden olan süreçte büyük ölçüde farklılık gösterir.

Klistronda elektron ışını , kaynak RF sinyaline bağlı rezonans boşluğundaki bir delikten geçer . Elektronların delikten geçtiği andaki sinyal, elektronların hızlanmasına (veya yavaşlamasına) neden olur. Elektronlar, daha hızlı elektronların daha yavaş elektronları sollayıp demetleri oluşturduğu ve ardından elektronların çıkış gücünün alındığı başka bir rezonans boşluğundan geçtiği bir "sürüklenme tüpüne" girer. Hız ayırma işlemi zaman aldığından, sürüklenme borusu genellikle birkaç fit uzunluğunda olmalıdır.

Karşılaştırıldığında, TWT'de hızlanma, tüpün tüm uzunluğu boyunca sarmal ile etkileşimlerden kaynaklanır. Bu, TWT'nin tasarımın önemli bir avantajı olan çok düşük gürültü çıkışına sahip olmasını sağlar. Daha faydalı bir şekilde, bu işlem, TWT'nin daha geniş bir frekans yelpazesinde çalışmasına izin veren tüpün fiziksel düzenlemesine çok daha az duyarlıdır. Düşük gürültü ve frekans değişkenliği yararlı olduğunda TWT'ler genellikle avantajlıdır.

Birleştirilmiş boşluklu TWT

Helis TWT'ler, sarmal telin mevcut kullanımı (ve dolayısıyla kalınlığı) ile tepe RF gücünde sınırlıdır. Güç seviyesi arttıkça tel aşırı ısınabilir ve helis geometrisinin bükülmesine neden olabilir. Konuları iyileştirmek için tel kalınlığı arttırılabilir, ancak tel çok kalınsa , düzgün çalışma için gerekli sarmal hatvesini elde etmek imkansız hale gelir . Tipik olarak sarmal TWT'ler 2,5 kW'dan daha az çıkış gücüne ulaşır.

Birleştirilmiş boşluklu TWT , sarmalı kiriş boyunca eksenel olarak düzenlenmiş bir dizi bağlanmış boşluk ile değiştirerek bu sınırın üstesinden gelir. Bu yapı sarmal bir dalga kılavuzu sağlar ve bu nedenle hız modülasyonu yoluyla amplifikasyon meydana gelebilir. Helisel dalga kılavuzları çok doğrusal olmayan bir dağılıma sahiptir ve bu nedenle yalnızca dar bantlıdır (ancak klystron'dan daha geniştir ). Birleştirilmiş boşluklu TWT, 60 kW çıkış gücüne ulaşabilir.

Çalışma, birleştirilmiş boşluklu TWT'lerin bir sürüklenme tüpü yerine yavaş dalga yapısı arasında zayıflama ile tasarlanması dışında , bir klistron'unkine benzer . Yavaş dalga yapısı, TWT'ye geniş bant genişliğini verir. Bir serbest elektron lazer yüksek frekanslar sağlar.

Gezici dalga tüplü amplifikatör

Düzenlenmiş bir güç kaynağı ve koruma devreleri ile entegre edilmiş bir TWT'ye, yürüyen dalga tüplü amplifikatör (kısaltılmış TWTA ve genellikle "TWEET-uh" olarak telaffuz edilir) denir . Yüksek güçlü radyo frekansı sinyalleri üretmek için kullanılır . Geniş bantlı bir TWTA'nın bant genişliği bir oktav kadar yüksek olabilir , ancak ayarlı (dar bantlı) versiyonlar mevcuttur; çalışma frekansları 300 MHz ila 50 GHz arasındadır.

Bir TWTA, koruma devreleri ( klystron'da olduğu gibi ) ve farklı bir üretici tarafından tedarik edilip entegre edilebilen düzenlenmiş güç kaynağı elektronik güç düzenleyicisi (EPC) ile birleştirilmiş bir yürüyen dalga tüpünden oluşur . Çoğu güç kaynağı ile vakum tüpleri için olanlar arasındaki temel fark, verimli vakum tüplerinin elektronların kinetik enerjisini geri dönüştürmek için toplayıcıları bastırmasıdır, bu nedenle güç kaynağının ikincil sargısı, sarmal voltajının hassas düzenlemeye ihtiyaç duyduğu 6 kademeye ihtiyaç duyar. Bir doğrusallaştırıcının sonradan eklenmesi ( endüktif çıkış tüpünde olduğu gibi ), tamamlayıcı kompanzasyon ile kazanç sıkıştırmasını ve TWTA'nın diğer özelliklerini iyileştirebilir ; bu kombinasyona doğrusallaştırılmış TWTA (LTWTA, "EL-tweet-uh") denir.

Geniş bant TWTA'lar genellikle bir sarmal TWT kullanır ve 2,5 kW'tan daha az çıkış gücü elde eder. Birleştirilmiş boşluklu TWT kullanan TWTA'lar, daha dar bant genişliği pahasına 15 kW çıkış gücü elde edebilir.

Buluş, geliştirme ve erken kullanım

TWT'nin orijinal tasarımı ve prototipi Andrei "Andy" Haeff c. 1931'de Caltech'teki Kellogg Radyasyon Laboratuvarı'nda doktora öğrencisi olarak çalışırken. Orijinal patenti "Yüksek Frekanslı Akımları Kontrol Etme Cihazı ve Yöntemi" 1933'te dosyalandı ve 1936'da verildi.

TWT'nin icadı genellikle 1942–1943 yıllarında Rudolf Kompfner'e atfedilir . Ayrıca ABD'de RCA'da (Radio Corporation of America) çalışan Nils Lindenblad da Mayıs 1940'ta Kompfner'ın TWT'sine oldukça benzeyen bir cihaz için patent başvurusunda bulundu. Bu cihazların her ikisi de , elektron ışınının kaynağı olarak o zamanlar yeni icat edilen hassas elektron tabancasını kullandıkları ve her ikisi de ışını sarmalın dışına değil merkezine doğru yönlendirdikleri için Haeff'in orijinal tasarımına göre iyileştirmelerdi . Bu konfigürasyon değişiklikleri, hız modülasyonu ve elektron demetlemenin fiziksel ilkelerine dayandıklarından, Haeff'in tasarımından çok daha büyük dalga amplifikasyonuyla sonuçlandı. Kompfner, TWT'sini II . Dünya Savaşı sırasında bir İngiliz Amirallik radar laboratuvarında geliştirdi . TWT'sinin ilk taslağı 12 Kasım 1942 tarihlidir ve ilk TWT'sini 1943'ün başlarında inşa etmiştir. TWT daha sonra Kompfner, John R. Pierce ve Lester M. Winslow tarafından Bell Labs'de rafine edilmiştir . Kompfner'in 1953'te verilen ABD patentinin Haeff'in önceki çalışmasına atıfta bulunduğunu unutmayın.

1950'lerde, Culver City, California'daki Hughes Aircraft Company'deki Elektron Tüp Laboratuvarı'nda daha fazla geliştirildikten sonra , TWT'ler burada üretime geçti ve 1960'larda TWT'ler ayrıca İngiliz Elektrikli Vana Şirketi gibi şirketler tarafından üretildi , ardından Ferranti izledi . 1970'ler.

10 Temmuz 1962'de, ilk iletişim uydusu Telstar 1 , RF sinyallerini Dünya istasyonlarına iletmek için kullanılan 2 W, 4 GHz RCA tasarımlı bir TWT transponder ile fırlatıldı. Syncom 2 , 26 Temmuz 1963'te iki adet 2 W, 1850 MHz Hughes tasarımı TWT transponder ile başarılı bir şekilde jeosenkron yörüngeye fırlatıldı - biri aktif ve biri yedek.

kullanır

TWTA'lar , giriş sinyalinin çok zayıf olduğu ve çıkışın yüksek güçte olması gerektiği uydu transponderlerinde yaygın olarak amplifikatörler olarak kullanılır .

Çıkışı bir anteni çalıştıran bir TWTA , bir tür vericidir . TWTA vericileri radarda , özellikle havadan atış kontrol radar sistemlerinde ve elektronik harp ve kendini koruma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır . Bu tür uygulamalarda, darbeli çalışmaya izin vermek için tipik olarak TWT'nin elektron tabancası ile yavaş dalga yapısı arasına bir kontrol ızgarası yerleştirilir. Kontrol şebekesini çalıştıran devre genellikle şebeke modülatörü olarak adlandırılır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Copeland, Jack; Haeff, Andre A. (Eylül 2015). "Gezgin Dalga Tüpünün Gerçek Tarihi".
  • Anderson, Carter M; (Kasım 2015). "Nihai Vakum Tüpü Arayışı". IEEE Spektrumu; [2]

Dış bağlantılar