Utazó hullám lámpa

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2017. július 15-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 12 szerkesztést igényelnek .

A mozgóhullámú lámpa (TWT) egy elektrovákuumeszköz , amelyben egy mozgó elektromágneses hullám és egy ugyanabban az irányban mozgó elektronáramlás kölcsönhatása mikrohullámú elektromágneses oszcillációkat generál és/vagy erősít (ellentétben a visszafelé irányuló hullámlámpával (WOW) ). .

Bevezetés

Az utazóhullámú lámpát először Rudolf Kompfner alkotta meg 1943 -ban (más források szerint 1944-ben).

A mozgóhullámú csövek két osztályba sorolhatók: O típusú TWT és M típusú TWT.

Az O típusú készülékekben az elektronok mozgási energiája az elektronok e tér általi lassítása következtében egy mikrohullámú tér energiájává alakul át. Az ilyen lámpákban a mágneses mező a sugár terjedési iránya mentén irányul, és csak az utóbbi fókuszálására szolgál.

Az M típusú készülékekben a katódról az anódra történő ismételt lassítás és gyorsítás következtében eltolódó elektronok potenciális energiája a mikrohullámú tér energiájába megy át . Az átlagos kinetikus energia állandó marad. Az ilyen eszközökben a mágneses mező a nyaláb terjedési irányára merőlegesen irányul.

TWT típusú O

Eszköz és működési elv

A mozgóhullámú lámpák (TWT) működési elve az elektronáramlás és a mozgó elektromágneses hullám mezőjének hosszú távú kölcsönhatásának mechanizmusán alapul. Az ábra sematikusan mutatja a TWT eszközt. Az elektronágyú meghatározott keresztmetszetű és intenzitású elektronsugarat hoz létre. Az elektron sebességét a gyorsító feszültség határozza meg. A hosszirányú mágneses teret létrehozó fókuszrendszer segítségével a szükséges nyalábkeresztmetszet a lassító rendszer teljes pályáján biztosított. A TWT-ben az elektronágyút, a spirális lassúhullámú rendszert és a kollektort üveg-fém vagy fém tartályba helyezik, míg a fókuszáló mágnesszelep kívül található. A spirál dielektromos rudak közé van rögzítve, amelyeknek alacsony mikrohullámú veszteséggel és jó hővezető képességgel kell rendelkezniük. Az utolsó követelmény a közepes és nagy teljesítményű lámpáknál fontos, amikor a spirál az elektronok lerakódása miatt felmelegszik, és ezt a hőt el kell távolítani, hogy a spirál ne égjen ki.

A lassító rendszer bemenetén és kimenetén speciális eszközök vannak a távvezetékekhez való illesztésre. Ez utóbbi lehet hullámvezető vagy koaxiális. A bemenet mikrohullámú jelet kap, amelyet a készülékben felerősítve továbbít a kimenetről a terhelésre.

Nehéz jó egyezést elérni a lámpa teljes erősítési sávján. Emiatt fennáll a belső visszacsatolás veszélye az elektromágneses hullám visszaverődése miatt a lassuló rendszer végein, miközben a TWT nem látja el erősítő funkcióját. Az öngerjesztés kiküszöbölésére abszorber kerül bevezetésre, amely készülhet abszorbeáló kerámia rúd vagy abszorbeáló filmek formájában.

Paraméterek és jellemzők

Erősítési paraméter

Az erősítés paramétere egy dimenzió nélküli tényező:

$C={\sqrt[ {3}]{{\frac {R_{{CB}}I_{0}}{4U_{0}}}}}$ , ahol a csatolási ellenállás, a katódáram és a TWT elektronágyú utolsó anódjának potenciálja. $R_{{CB}}$ $I_0$ $U_{0}$

A C értékek ~0,1-0,01.

Gain

A TWT erősítés lineáris módban egyenesen arányos a C paraméterrel .

A közepes és nagy teljesítményű TWT erősítésének valóban elérhető értéke 25-40 dB , azaz valamivel alacsonyabb, mint a többüregű klistronoké ( 60 dB). Kis teljesítményű TWT-kben az erősítés elérheti a 60 dB-t.

Frekvencia tartomány

A TWT-k különösen értékes tulajdonsága a szélessáv. A TWT erősítése állandó gyorsítófeszültség mellett széles frekvenciasávban szinte változatlan marad - az átlagos frekvencia körülbelül 20-50%-a. Ebben a tekintetben a TWT-k jelentősen felülmúlják az erősítő klystronokat, amelyek nagyon magas erősítést tudnak biztosítani, de sokkal szűkebb a frekvenciasávjuk.

Teljesítmény

A céltól függően a TWT-ket egy mW töredékétől (bemeneti kis teljesítményű és alacsony zajszintű TWT-k mikrohullámú erősítőkben) több tíz kW-ig (nagy teljesítményű TWT-k mikrohullámú adókban) folyamatos üzemmódban és legfeljebb több MW impulzus üzemmódban.

A kis és közepes teljesítményű TWT-kben spirális lassúhullámú rendszereket, a nagy teljesítményű TWT-kben pedig csatolt rezonátorláncokat használnak.

Hatékonyság

A lassító rendszeren átrepülő elektronok kinetikus energiájuk egy részét a mikrohullámú mezőnek adják, ami az elektronok sebességének csökkenéséhez vezet. Ez azonban sérti a V e ≅ V f fázisillesztés feltételét . Ez magában foglalja a TWT hatékonyságának fő korlátját , amely az elektronok teljes kinetikus energiájának a mikrohullámú mezőbe való átvitelének lehetetlenségével jár: az elektroncsokor a lassító mező tartományából a gyorsuló tartományába kerül.

Az elektronsebesség alsó határát a lassú hullám fázissebessége határozza meg. Ezért a hatásfok minél nagyobb legyen, minél nagyobb a kezdeti elektronsebesség többlete a hullám fázissebességéhez képest a moderáló rendszerben. A deszinkronizmus növekedésével azonban a lassúhullámú rendszer bemeneti szakaszán a csoportosítás romlik, és az erősítés meredeken csökken. Így a TWT maximális hatékonyságára és nagy nyereségére vonatkozó követelmények ellentmondásosnak bizonyulnak.

Az LBVO hatékonyságának valós értéke 30-40%.

Alkalmazás

A kis teljesítményű TWT-ket bemeneti erősítőkben, közepes teljesítményt a közbenső erősítőkben, és nagy teljesítményt a mikrohullámú rezgések kimeneti teljesítményerősítőiben használják.

M típusú TWT

Különbség az O típusú TWT-től

Az M típusú TWT-nek a TWT-vel ellentétben két alapvető jellemzője van:

Az elektronok legkedvezőbb kölcsönhatása a haladó hullámmal és az energia átadása az elektronokról a mezőre akkor következik be, ha az átlagos elektronsebesség és a hullám fázissebessége pontosan megegyezik ( V e = V f ). Éppen ellenkezőleg, ahhoz, hogy az O típusú TWT-ben energiát vigyenek át az elektronokból a mezőbe, az elektronoknak valamivel gyorsabban kell mozogniuk.
a TWT-ben az elektronok csak az elektronok és a hullám sebességének különbségének megfelelő többlet mozgási energiát adják a mezőnek. A hatékonyságot a sebességek közötti megengedett különbség korlátozza. A mezőre átvitt energiát a gyorsító feszültségforrásból veszik . Az LBVM-ben az elektronok kinetikus energiája nem változik, az elektronok potenciális energiája átkerül a mezőbe. $U_{0}$

Eszköz és működési elv

A lámpának két fő része van: az injekciós eszköz és az interakciós tér.

A fűtött katódból és egy vezérlőelektródából álló befecskendező eszköz biztosítja a szalagelektron áramlás létrehozását és a kölcsönhatási térbe történő bevezetését.

A hullámvezető bemenetből, egy abszorberből, egy anód lassú hullámrendszerből, egy hullámvezető kimenetből, egy kollektorból és egy hideg katódból álló kölcsönhatási tér biztosítja az elektronok kölcsönhatását a mikrohullámú térrel. Egy ilyen interakció létrehozásához teljesíteni kell a feltételt

$V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}$ , ahol a kezdeti áramlási sebesség a kölcsönhatási tér bejáratánál, a transzlációs sebesség keresztezett elektromos ( ) és mágneses mezőkben ( ). $V_{0}$ ${\frac {E_{0}}{B}}$ $E_{0}$ $B$

Ha ez a feltétel teljesül, az elektronok mikrohullámú tér hiányában egyenes vonalban mozognak a kollektor felé. Mivel a kezdeti áramlási sebességet az összefüggés határozza meg

$V_{0}={\frac {E_{{control}}}{B}}$ , akkor a fenti feltétel a

$E_{0}=2E_{{kontroll}}$

A készülék paramétereit úgy választjuk meg, hogy amikor a lassúhullámú rendszer bemenetén annak valamelyik térharmonikusán mikrohullámú jel jelenik meg, az M típusú készülékek fázisillesztésének feltétele ( V 0 = V f ) teljesül. Ebben az esetben ennek a harmonikusnak az elektromos mezőjének lassuló félciklusaiban az elektronok potenciális energiájának csökkenése miatt a mikrohullámú jel energiája megnövekszik. A felerősített mikrohullámú jel a lassító rendszer kimenetére érkezik, és az elektronok leülepednek a kollektoron.

Az M típusú haladó hullámcső, valamint az O típusú utazóhullámú cső szélessávú erősítő, ezért öngerjesztés lehetséges benne a retardáló rendszer kimenetéről érkező felerősített jel visszaverődése miatt. Az öngerjesztés megakadályozására abszorbert használnak.

Paraméterek és jellemzők

Gain

Az erősítés bemeneti teljesítménytől való függésének jellemző képe az ábrán látható. A bemeneti jel alacsony szintjein a TWT kimenetén a rezgések amplitúdója és az erősítés értéke egyenes arányban nő a bemeneti jel értékével. A kötést addig figyeljük, amíg a kollektor helyett az elektronok elkezdenek hullani az anódra a lassító rendszer végén. Ebben az esetben a kimeneti teljesítmény növekedése lelassul és a TWT erősítése csökken.

A valódi M-típusú utazóhullámcsövek erősítése eléri a 40 dB-t vagy még többet.

Frekvencia tartomány

A TWT-n alapuló erősítők működési frekvenciájának sávszélessége eléri az átlagos működési frekvencia 30%-át, és a lassúhullámú rendszer diszperziós jellemzője határozza meg.

Teljesítmény

Az LBVM kimeneti teljesítménye folyamatos üzemmódban eléri a több kilowatttot , impulzus üzemmódban pedig több megawattot.

Hatékonyság

Az erősítő hatásfoka a TWT-n megbecsülhető azon tény alapján, hogy az a maximális potenciális energia, amelyet egy elektron át tud vinni a mikrohullámú térbe , $E_{{pot}}=eU_{0}$

Egy elektron kinetikus energiája, amely nem a mikrohullámú mezőnek van megadva:

$E_{{kin}}={\frac {mv_{e}^{2}}{2}}={\frac {mE_{0}^{2}/B^{2}}{2}}$

Valós készülékekben a hatásfoka nem haladja meg a 70%-ot.

A TWT létrehozása a Szovjetunióban

Az első hazai UV-1 típusú TWT-t a Szovjetunió Védelmi Minisztériumának Tüzérségi Főigazgatóságának NII-5-én hozták létre (jelenleg OAO Moszkvai Műszerautomatizálási Kutatóintézet (MNIIPA) ). Az UV-1-en végzett munka közvetlen végrehajtója A. V. Ievsky volt ; M. F. Stelmakh és M. A. Bruk aktívan részt vett . Az erősítő üzemmódban működő UV-1 lámpát és annak későbbi módosításait alacsony zajtényező jellemezte, ami akkoriban kiemelkedő teljesítménynek számított. Ezt egy speciális alacsony zajszintű elektronágyú kifejlesztésével érték el . Ezt megelőzően minden TWT-ben az úgynevezett "Pierce fegyvereket" használták, amelyeknek magas volt a saját zajszintje. Ennek a pisztolynak az anódja egy spirálhoz volt csatlakoztatva, amely nem tette lehetővé az anód feszültségének külön szabályozását, amelytől a zaj erősen függ, és a spirál feszültségét, amelyet a szinkronizálás feltételeinek teljesítése miatt választottak ki. a lassú tértöltés hullám az elektronnyalábban és a térhullám a hélixben. Az MA Bruk speciális oxidkatódokat fejlesztett ki, amelyek a katód felületéről történő elektronemisszió nagyfokú egyenletességével rendelkeztek. A pisztolyba egy második anód került, amely lehetővé tette a feszültség külön beállítását. A TWT zajtényezője csaknem egy nagyságrenddel csökkent.

Modern TWT gyártók

Európai Unió –Thalescsoport [2]
USA – L3HARRIS Electron Devices [3]
USA – CPI International [4]
Egyesült Királyság –Teledyne e2v [5]
Egyesült Királyság – TMD Technologies[6]
Izrael –Israel Aerospace Industries
Japán – Net Comsec Co Ltd
India – Növekedési vezérlők
Oroszország –JSC "Pluton"
Oroszország -Isztok atomerőmű
Oroszország -Almaz atomerőmű
Kína – Peking BOE Vacuum Technology Co., Ltd.[7]

Lásd még

Jegyzetek

↑ Rovensky G. V. Myakinkov Jurij Pavlovics - a TWT archív példányának vezető fejlesztője , 2013. augusztus 10-én a Wayback Machine -nél . Fryazino, 2013, 114. o. ISBN 978-5-9901378-4-4 .
↑ Járóhullámcsövek . _ Thales csoport . Letöltve: 2020. október 21. Az eredetiből archiválva : 2021. április 14.
↑ Traveling Wave Tubes . L3Harris™ Gyors. előre . Letöltve: 2020. október 21. Az eredetiből archiválva : 2020. november 28.
↑ Kültéri utazó hullámcsöves erősítők (TWTA-k) - Satcom & Medical Products: Satcom Products, Communications & Power Industries (CPI ) . C.P.I. International . Letöltve: 2020. október 21. Az eredetiből archiválva : 2020. október 28..
↑ Csatolt üreges utazóhullámcsövek (CCTWT ) . e2v . Letöltve: 2020. október 21. Az eredetiből archiválva : 2020. szeptember 26.
↑ Alex. Mikrohullámú csövek . TMD Technologies (2016. március 7.). Letöltve: 2020. október 21. Az eredetiből archiválva : 2020. október 28..
↑ Főoldal . _ Peking BOE Vacuum Technology Co., Ltd. Letöltve: 2020. október 23. Az eredetiből archiválva : 2020. július 28.

Irodalom

Trubetskov D.I., Khramov A.E. Előadások a mikrohullámú elektronikáról fizikusoknak. - M. : Fizmatlit, 2003. - T. 1. - 496 p.
Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. és mások Lengések generálása és rádiójelek kialakítása. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .
Trubetskov D.I., Vdovina G.M. Lámpa utazóhullámmal (történelem személyekben és sorsokban) // UFN. - 2020. - T. 190 . – S. 543–556 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.12.038707 .

Vákuumos elektronikus eszközök (kivéve a katódsugár )
Generátor és erősítő lámpák	Trióda tetróda gerenda tetróda Háromrácsos cső hexod heptóda Pentagrid okt Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klisztron Utazó hullám lámpa Hátsó hullám lámpa Gyrotron
Egyéb	Elektrovákuum dióda Kenotron röntgencső Vákuum fluoreszcens jelző Mágikus szem Vákuumos fotocella képerősítő cső Fotósokszorozó Másodlagos elektronsokszorozó Selectron mechatron
A teljesítmény típusai	Octal Ujj Rúd Nuvistor makk Majacskovaja Fém-kerámia Kombinált
Szerkezeti elemek	Anód Katód közvetlen ragyogás Közvetett ragyogás terepi kibocsátás Fotokatód Dinod Fűtő Rács menedzser Antidynatron Árnyékolás katódos Getter lábazat