Lámpara de ondas viajeras
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 15 de julio de 2017; las comprobaciones requieren 12 ediciones .Una lámpara de onda viajera (TWT) es un dispositivo de electrovacío en el que la interacción de una onda electromagnética viajera y un flujo de electrones que se mueve en la misma dirección se utiliza para generar y/o amplificar oscilaciones electromagnéticas de microondas (a diferencia de una lámpara de onda inversa (WOW) ) .
Introducción
La lámpara de ondas viajeras fue creada por primera vez por Rudolf Kompfner en 1943 (según otras fuentes en 1944).
Los tubos de ondas progresivas se dividen en dos clases: TWT tipo O y TWT tipo M.
En los dispositivos de tipo O, la energía cinética de los electrones se convierte en la energía de un campo de microondas como resultado de la desaceleración de los electrones por este campo. El campo magnético en tales lámparas se dirige a lo largo de la dirección de propagación del haz y sirve únicamente para enfocar este último.
En los dispositivos de tipo M, la energía potencial de los electrones que se desplazan como resultado de la desaceleración y aceleración repetidas del cátodo al ánodo pasa a la energía del campo de microondas . La energía cinética media permanece constante. El campo magnético en tales dispositivos se dirige perpendicularmente a la dirección de propagación del haz.
TWT tipo O
Dispositivo y principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de las lámparas de ondas viajeras (TWT) se basa en el mecanismo de interacción a largo plazo del flujo de electrones con el campo de una onda electromagnética viajera. La figura muestra esquemáticamente el dispositivo TWT. El cañón de electrones genera un haz de electrones con una determinada sección transversal e intensidad. La velocidad del electrón está determinada por el voltaje de aceleración. Con la ayuda del sistema de enfoque , que crea un campo magnético longitudinal, se proporciona la sección transversal del haz requerida a lo largo de todo el camino a lo largo del sistema de desaceleración. En el TWT, el cañón de electrones, el sistema helicoidal de onda lenta y el colector se colocan en un recipiente de vidrio a metal o de metal, mientras que el solenoide de enfoque se encuentra en el exterior. La espiral se une entre varillas dieléctricas, que deben tener bajas pérdidas de microondas y buena conductividad térmica. El último requisito es importante para las lámparas de potencia media y alta, cuando la espiral se calienta debido a la deposición de electrones y este calor debe eliminarse para que la espiral no se queme.
En la entrada y salida del sistema de desaceleración hay dispositivos especiales para emparejarlo con las líneas de transmisión. Este último puede ser de guía de ondas o coaxial. La entrada recibe una señal de microondas, que se amplifica en el dispositivo y se transmite desde la salida a la carga.
Es difícil obtener una buena coincidencia en toda la banda de ganancia de la lámpara. Por lo tanto, existe el peligro de una retroalimentación interna debido al reflejo de una onda electromagnética en los extremos del sistema de ralentización, mientras que el TWT puede dejar de realizar sus funciones como amplificador. Para eliminar la autoexcitación, se introduce un absorbedor, que se puede fabricar en forma de varilla de cerámica absorbente o en forma de películas absorbentes.
Parámetros y características
Parámetro de gananciaEl parámetro de ganancia es un factor adimensional:
, donde es la resistencia de acoplamiento, es la corriente del cátodo y es el potencial del último ánodo del cañón de electrones TWT.
![C={\raíz cuadrada[ {3}]{{\frac{R_{{CB}}I_{0}}{4U_{0}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2e3d9304ce9ca2428367b94b68752f729db1b0e5)
Los valores de C son ~0.1–0.01.
GananciaLa ganancia de TWT en el modo lineal es directamente proporcional al parámetro C.
El valor realmente alcanzable de la ganancia de los TWT de media y alta potencia es de 25-40 dB , es decir, algo inferior a la de los klistrones multicavidad (60 dB). En TWT de baja potencia, la ganancia puede alcanzar los 60 dB.
Rango de frecuenciaUna propiedad particularmente valiosa de los TWT es su banda ancha. La ganancia del TWT a un voltaje de aceleración constante puede permanecer casi sin cambios en una banda de frecuencia amplia, alrededor del 20 al 50% de la frecuencia promedio. En este sentido, los TWT son significativamente superiores a los klistrones amplificadores, que pueden proporcionar una ganancia muy alta pero tienen una banda de frecuencia mucho más estrecha.
Potencia de salidaDependiendo del propósito, los TWT se producen para potencias de salida desde fracciones de mW (TWT de entrada de baja potencia y bajo ruido en amplificadores de microondas) hasta decenas de kW (TWT de salida de alta potencia en transmisores de microondas) en modo continuo y hasta varios MW en modo pulsado.
En los TWT de baja y media potencia se utilizan sistemas helicoidales de onda lenta y en los TWT de alta potencia se utilizan cadenas de resonadores acoplados.
EficienciaLos electrones que vuelan a través del sistema de desaceleración ceden parte de su energía cinética al campo de microondas, lo que conduce a una disminución en la velocidad de los electrones. Pero esto viola la condición de coincidencia de fase V e ≅ V f . Esto implica la principal limitación de la eficiencia del TWT, que está asociada a la imposibilidad de transferir toda la energía cinética de los electrones al campo de microondas: los haces de electrones se desplazan de la región del campo decelerante a la región del acelerante.
El límite inferior de la velocidad del electrón está determinado por la velocidad de fase de la onda lenta. Por lo tanto, la eficiencia debe ser mayor cuanto mayor sea el exceso de la velocidad inicial del electrón sobre la velocidad de fase de la onda en el sistema moderador. Sin embargo, con un aumento en el desincronismo, el agrupamiento en la sección de entrada del sistema de onda lenta se deteriora y la ganancia disminuye bruscamente. Así, los requisitos de máxima eficiencia y alta ganancia en el TWT resultan contradictorios.
El valor real de la eficiencia de LBVO es 30-40%.
Aplicación
Los TWT de baja potencia se utilizan en amplificadores de entrada, de media potencia en amplificadores intermedios y de alta potencia en amplificadores de potencia de salida de oscilaciones de microondas.
Tipo M TWT
Diferencia de TWT tipo O
En TWT tipo M, a diferencia de TWT, hay dos características esenciales:
- La interacción más favorable de los electrones con una onda viajera y la transferencia de energía de los electrones al campo ocurren cuando la velocidad promedio de los electrones y la velocidad de fase de la onda son exactamente iguales ( V e = V f ). Por el contrario, para transferir energía de los electrones al campo en TWT tipo O, se requiere que los electrones se muevan un poco más rápido.
- en el TWT, los electrones le dan al campo solo el exceso de energía cinética correspondiente a la diferencia en las velocidades de los electrones y la onda. La eficiencia está limitada por la diferencia permitida entre estas velocidades. La energía transferida al campo se toma de la fuente de tensión de aceleración . En el LBVM, la energía cinética de los electrones no cambia y la energía potencial de los electrones se transfiere al campo.
Dispositivo y principio de funcionamiento
La lámpara tiene dos partes principales: el dispositivo de inyección y el espacio de interacción.
El dispositivo de inyección, que consta de un cátodo calentado y un electrodo de control, proporciona la creación de un flujo de electrones de cinta y su introducción en el espacio de interacción.
El espacio de interacción, que consta de una entrada de guía de ondas , un absorbedor, un sistema de ánodo de onda lenta, una salida de guía de ondas, un colector y un cátodo frío, asegura la interacción de los electrones con el campo de microondas. Para crear tal interacción, es necesario cumplir la condición
, donde es la velocidad inicial del flujo a la entrada del espacio de interacción, es la velocidad de traslación en campos eléctricos cruzados ( ) y magnéticos ( ).
Cuando se cumple esta condición, los electrones, en ausencia de un campo de microondas, se mueven en línea recta hacia el colector. Dado que el caudal inicial está determinado por la relación
, entonces la condición anterior se reduce a
Los parámetros del dispositivo se eligen de tal manera que cuando aparece una señal de microondas en la entrada del sistema de onda lenta en uno de sus armónicos espaciales, la condición de adaptación de fase de los dispositivos del tipo M ( V 0 = V f ) se ha completado. En este caso, en los semiciclos de desaceleración del campo eléctrico de este armónico, se producirá un aumento de la energía de la señal de microondas debido a una disminución de la energía potencial de los electrones. La señal de microondas amplificada llega a la salida del sistema de desaceleración y los electrones se depositan en el colector.
El tubo de onda viajera tipo M, así como el tubo de onda viajera tipo O, es un amplificador de banda ancha y, por lo tanto , es posible la autoexcitación debido al reflejo de la señal amplificada de la salida del sistema de retardo. Se utiliza un absorbedor para evitar la autoexcitación.
Parámetros y características
GananciaEn la figura se muestra una vista característica de la dependencia de la ganancia en la potencia de entrada. A niveles bajos de la señal de entrada, la amplitud de las oscilaciones a la salida del TWT y el valor de la ganancia aumentan en proporción directa al valor de la señal de entrada. El enlace se observa hasta que los electrones comienzan a caer en lugar del colector al ánodo al final del sistema de desaceleración. En este caso, el crecimiento de la potencia de salida se ralentiza y la ganancia del TWT disminuye.
La ganancia en los tubos de ondas viajeras reales de tipo M alcanza los 40 dB o más.
Rango de frecuenciaEl ancho de banda de las frecuencias operativas en amplificadores basados en TWT alcanza el 30% de la frecuencia operativa promedio y está determinado por la característica de dispersión del sistema de onda lenta.
Potencia de salidaLa potencia de salida del LBVM en modo continuo alcanza varios kilovatios , en modo pulsado, varios megavatios.
EficienciaLa eficiencia del amplificador en el TWT se puede estimar en base al hecho de que la energía potencial máxima que un electrón puede transferir al campo de microondas ,
La energía cinética de un electrón que no se le da al campo de microondas:
En dispositivos reales, su eficiencia no supera el 70%.
Creación de la TWT en la URSS
El primer TWT doméstico tipo UV-1 se creó en NII-5 de la Dirección Principal de Artillería del Ministerio de Defensa de la URSS (ahora Instituto de Investigación de Automatización de Instrumentos de Moscú OAO (MNIIPA) ). El ejecutor directo del trabajo en UV-1 fue A. V. Ievsky ; M. F. Stelmakh y M. A. Bruk tomaron parte activa . La lámpara UV-1 y sus posteriores modificaciones, que operaban en modo amplificador, se distinguían por un bajo factor de ruido, lo que en ese momento era un logro sobresaliente. Esto se logró mediante el desarrollo de un cañón de electrones especial de bajo ruido . Antes de eso, en todos los TWT se usaban las llamadas "Pierce guns", que tenían un alto nivel de ruido propio. El ánodo de esta pistola estaba conectado a una hélice, lo que no permitía controlar por separado la tensión del ánodo, de la que dependía fuertemente el ruido, y la tensión de la hélice, que se seleccionaba a partir de la necesidad de cumplir las condiciones de sincronismo entre la onda de carga espacial lenta en el haz de electrones y la onda de campo en la hélice. MA Bruk desarrolló cátodos de óxido especiales, que tenían un alto grado de uniformidad en la emisión de electrones desde la superficie del cátodo. Se introdujo un segundo ánodo en la pistola, lo que hizo posible realizar un ajuste de voltaje por separado. El factor de ruido TWT se redujo en casi un orden de magnitud.
Fabricantes modernos de TWT
- Unión Europea -GrupoThales [2]
- EE . UU . - Dispositivos electrónicos L3HARRIS [3]
- EE.UU. - CPI Internacional [4]
- Reino Unido -Teledyne e2v [5]
- Reino Unido - Tecnologías TMD[6]
- Israel -Industrias aeroespaciales de Israel
- Japón - Net Comsec Co Ltd
- India - Controles de cultivo
- Rusia -JSC "Plutón"
- Rusia -CN "Istok"
- Rusia -CN "Almaz"
- China - Tecnología Co., Ltd del vacío de Beijing BOE[7]
Véase también
Notas
- ↑ Rovensky G. V. Myakinkov Yuri Pavlovich - desarrollador principal de la copia de archivo de TWT fechada el 10 de agosto de 2013 en Wayback Machine . Fryazino, 2013, 114 p. ISBN 978-5-9901378-4-4 .
- ↑ Tubos de onda viajera . Grupo Tales . Consultado el 21 de octubre de 2020. Archivado desde el original el 14 de abril de 2021.
- ↑ Tubos de onda viajera . L3Harris™ Rápido. adelante _ Consultado el 21 de octubre de 2020. Archivado desde el original el 28 de noviembre de 2020.
- ↑ Amplificadores de tubo de onda viajera para exteriores (TWTA) - Satcom y productos médicos: Satcom Products, Communications & Power Industries (CPI ) . CPI Internacional . Consultado el 21 de octubre de 2020. Archivado desde el original el 28 de octubre de 2020.
- ↑ Tubos de ondas viajeras de cavidad acoplada (CCTWT ) . e2v . Consultado el 21 de octubre de 2020. Archivado desde el original el 26 de septiembre de 2020.
- ↑ Álex. Tubos de microondas . Tecnologías TMD (7 de marzo de 2016). Consultado el 21 de octubre de 2020. Archivado desde el original el 28 de octubre de 2020.
- ↑ Página principal . Beijing BOE Vacío Technology Co. , Ltd. Consultado el 23 de octubre de 2020. Archivado desde el original el 28 de julio de 2020.
Literatura
- Trubetskov D.I., Khramov A.E. Conferencias sobre electrónica de microondas para físicos. - M. : Fizmatlit, 2003. - T. 1. - 496 p.
- Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. y otros Generación de oscilaciones y formación de señales de radio. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .
- Trubetskov D.I., Vdovina G.M. Lámpara con onda viajera (historia en personas y destinos) // UFN. - 2020. - T. 190 . — S. 543–556 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.12.038707 .
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