Lampă cu val de călătorie
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 15 iulie 2017; verificările necesită 12 modificări .O lampă cu undă de călătorie (TWT) este un dispozitiv electrovacuum în care interacțiunea unei unde electromagnetice care se deplasează și a unui flux de electroni care se mișcă în aceeași direcție este utilizată pentru a genera și/sau a amplifica oscilații electromagnetice cu microunde (spre deosebire de o lampă cu undă inversă (WOW) ). .
Introducere
Lampa cu val care călătorește a fost creată pentru prima dată de Rudolf Kompfner în 1943 (conform altor surse în 1944).
Tuburile cu val de călătorie sunt împărțite în două clase: TWT tip O și TWT tip M.
În dispozitivele de tip O, energia cinetică a electronilor este convertită în energia unui câmp de microunde ca urmare a decelerarii electronilor de către acest câmp. Câmpul magnetic din astfel de lămpi este direcționat de-a lungul direcției de propagare a fasciculului și servește doar la focalizarea acestuia din urmă.
În dispozitivele de tip M, energia potențială a electronilor care se deplasează ca urmare a decelerării și accelerării repetate de la catod la anod trece în energia câmpului de microunde . Energia cinetică medie rămâne constantă. Câmpul magnetic din astfel de dispozitive este direcționat perpendicular pe direcția de propagare a fasciculului.
TWT tip O
Dispozitiv și principiu de funcționare
Principiul de funcționare a lămpilor cu undă de călătorie (TWT) se bazează pe mecanismul de interacțiune pe termen lung a fluxului de electroni cu câmpul unei unde electromagnetice care se deplasează. Figura prezintă schematic dispozitivul TWT. Tunul de electroni generează un fascicul de electroni cu o anumită secțiune transversală și intensitate. Viteza electronului este determinată de tensiunea de accelerare. Cu ajutorul sistemului de focalizare , care creează un câmp magnetic longitudinal, secțiunea transversală necesară a fasciculului este furnizată de-a lungul întregului traseu de-a lungul sistemului de încetinire. În TWT, tunul de electroni, sistemul elicoidal cu undă lentă și colectorul sunt plasate într-un recipient din sticlă pe metal sau metal, în timp ce solenoidul de focalizare este situat în exterior. Spirala este atașată între tije dielectrice, care ar trebui să aibă pierderi mici la microunde și o conductivitate termică bună. Ultima cerință este importantă pentru lămpile cu putere de ieșire medie și mare, când spirala se încălzește din cauza depunerii electronilor și această căldură trebuie îndepărtată pentru ca spirala să nu se ardă.
La intrarea și ieșirea sistemului de încetinire există dispozitive speciale pentru potrivirea acestuia cu liniile de transmisie. Acesta din urmă poate fi fie ghid de undă, fie coaxial. Intrarea primește un semnal cu microunde, care este amplificat în dispozitiv și transmis de la ieșire la sarcină.
Este dificil să se obțină o potrivire bună pe întreaga bandă de câștig a lămpii. Prin urmare, există pericolul de feedback intern din cauza reflectării unei unde electromagnetice la capetele sistemului de încetinire, în timp ce TWT-ul poate înceta să-și îndeplinească funcțiile de amplificator. Pentru a elimina autoexcitarea se introduce un absorbant, care poate fi realizat sub forma unei tije ceramice absorbante sau sub forma unor filme absorbante.
Parametri și caracteristici
Parametru de câștigParametrul de câștig este un factor adimensional:
, unde este rezistența de cuplare, este curentul catodic și este potențialul ultimului anod al tunului de electroni TWT.
![C={\sqrt[ {3}]{{\frac {R_{{CB}}I_{0}}{4U_{0}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2e3d9304ce9ca2428367b94b68752f729db1b0e5)
Valorile C sunt ~0,1–0,01.
CâștigăCâștigul TWT în modul liniar este direct proporțional cu parametrul C.
Valoarea cu adevărat realizabilă a câștigului de putere medie și mare TWT este de 25-40 dB , adică ceva mai mică decât cea a klystronilor multicavitate (60 dB). În TWT-uri de putere redusă, câștigul poate ajunge la 60 dB.
Interval de frecvențăO proprietate deosebit de valoroasă a TWT-urilor este banda lor largă. Câștigul TWT la o tensiune constantă de accelerare poate rămâne aproape neschimbat într-o bandă largă de frecvență - aproximativ 20 - 50% din frecvența medie. În acest sens, TWT-urile sunt semnificativ superioare klystronilor de amplificare, care pot oferi un câștig foarte mare, dar au o bandă de frecvență mult mai îngustă.
Putere de ieșireÎn funcție de scop, TWT-urile sunt produse pentru puteri de ieșire de la fracțiuni de mW (TWT de intrare cu putere redusă și zgomot redus în amplificatoarele cu microunde) până la zeci de kW (TWT-uri de ieșire de mare putere în transmițătoarele cu microunde) în modul continuu și până la câțiva MW în modul pulsat.
În TWT-urile de putere mică și medie, se folosesc sisteme elicoidale cu undă lentă, iar în TWT-urile de mare putere se folosesc lanțuri de rezonatoare cuplate.
EficiențăElectronii care zboară prin sistemul de încetinire dau o parte din energia lor cinetică câmpului cu microunde, ceea ce duce la o scădere a vitezei electronilor. Dar aceasta încalcă condiția potrivirii de fază V e ≅ V f . Aceasta implică principala limitare a eficienței TWT, care este asociată cu imposibilitatea de a transfera întreaga energie cinetică a electronilor în câmpul de microunde: mănunchiurile de electroni sunt deplasate din regiunea câmpului de decelerare în regiunea celui care se accelerează.
Limita inferioară a vitezei electronilor este determinată de viteza de fază a undei lente. Prin urmare, eficiența ar trebui să fie cu atât mai mare, cu atât mai mare este excesul vitezei inițiale a electronilor față de viteza de fază a undei în sistemul de moderare. Cu toate acestea, odată cu creșterea desincronismului, gruparea la secțiunea de intrare a sistemului cu unde lente se deteriorează, iar câștigul scade brusc. Astfel, cerințele pentru eficiență maximă și câștig ridicat în TWT se dovedesc a fi contradictorii.
Valoarea reală a eficienței LBVO este de 30-40%.
Aplicație
TWT-urile de putere mică sunt utilizate în amplificatoarele de intrare, puterea medie în amplificatoarele intermediare și puterea mare în amplificatoarele de putere de ieșire ale oscilațiilor cu microunde.
Tastați M TWT
Diferența față de tipul TWT O
În TWT tip M, spre deosebire de TWT, există două caracteristici esențiale:
- Cea mai favorabilă interacțiune a electronilor cu o undă care călătorește și transferul de energie de la electroni în câmp au loc atunci când viteza medie a electronilor și viteza de fază a undei sunt exact egale ( V e = V f ). Dimpotrivă, pentru a transfera energie de la electroni în câmp în TWT tip O, este necesar ca electronii să se miște puțin mai repede.
- în TWT, electronii dau câmpului doar excesul de energie cinetică corespunzătoare diferenței de viteze ale electronilor și undei. Eficiența este limitată de diferența admisă între aceste viteze. Energia transferată în câmp este preluată de la sursa de tensiune acceleratoare . În LBVM, energia cinetică a electronilor nu se modifică, iar energia potențială a electronilor este transferată în câmp.
Dispozitiv și principiu de funcționare
Lampa are două părți principale: dispozitivul de injecție și spațiul de interacțiune.
Dispozitivul de injecție, care constă dintr-un catod încălzit și un electrod de control, asigură crearea unui flux de electroni tip panglică și introducerea acestuia în spațiul de interacțiune.
Spațiul de interacțiune, constând dintr-o intrare de ghid de undă , un absorbant, un sistem anod cu undă lentă, o ieșire pentru ghid de undă, un colector și un catod rece, asigură interacțiunea electronilor cu câmpul de microunde. Pentru a crea o astfel de interacțiune, este necesar să îndepliniți condiția
, unde este viteza inițială a curgerii la intrarea în spațiul de interacțiune, este viteza de translație în câmpuri electrice ( ) și magnetice încrucișate ( ).
Când această condiție este îndeplinită, electronii, în absența unui câmp de microunde, se deplasează în linie dreaptă către colector. Deoarece debitul inițial este determinat de relația
, atunci condiția de mai sus se reduce la
Parametrii dispozitivului sunt aleși în așa fel încât atunci când la intrarea sistemului de unde lente apare un semnal de microunde la una dintre armonicile sale spațiale, starea potrivirii de fază a dispozitivelor de tip M ( V 0 = V f ) este îndeplinită. În acest caz, în semiciclurile de decelerare ale câmpului electric al acestei armonice, se va produce o creștere a energiei semnalului cu microunde datorită scăderii energiei potențiale a electronilor. Semnalul cu microunde amplificat ajunge la ieșirea sistemului de încetinire, iar electronii se instalează pe colector.
Tubul cu undă călătorie de tip M, precum și tubul cu undă călătorie de tip O, este un amplificator de bandă largă și, prin urmare , autoexcitarea este posibilă în el datorită reflectării semnalului amplificat de la ieșirea sistemului de întârziere. Un absorbant este utilizat pentru a preveni autoexcitarea.
Parametri și caracteristici
CâștigăO vedere caracteristică a dependenței câștigului de puterea de intrare este prezentată în figură. La niveluri scăzute ale semnalului de intrare, amplitudinea oscilațiilor la ieșirea TWT și valoarea câștigului cresc direct proporțional cu valoarea semnalului de intrare. Legătura este observată până când electronii încep să cadă în loc de colector la anod la sfârșitul sistemului de încetinire. În acest caz, creșterea puterii de ieșire încetinește, iar câștigul TWT scade.
Câștigul în tuburile cu undă călătorie de tip M reală atinge 40 dB sau mai mult.
Interval de frecvențăLățimea de bandă a frecvențelor de operare în amplificatoare bazate pe TWT atinge 30% din frecvența medie de operare și este determinată de caracteristica de dispersie a sistemului cu unde lente.
Putere de ieșirePuterea de ieșire a LBVM în modul continuu ajunge la câțiva kilowați , în modul pulsat - câțiva megawați.
EficiențăEficiența amplificatorului pe TWT poate fi estimată pe baza faptului că energia potențială maximă pe care o poate transfera un electron în câmpul de microunde ,
Energia cinetică a unui electron care nu este dată câmpului cu microunde:
În dispozitivele reale, eficiența sa nu depășește 70%.
Crearea TWT în URSS
Primul TWT intern de tip UV-1 a fost creat la NII-5 a Direcției principale de artilerie a Ministerului Apărării al URSS (acum OAO Moscow Research Institute of Instrument Automation (MNIIPA) ). Executorul direct al lucrării la UV-1 a fost A. V. Ievsky ; M. F. Stelmakh și M. A. Bruk au participat activ . Lampa UV-1 și modificările sale ulterioare, care funcționau într-un mod de amplificare, s-au distins printr-un factor de zgomot scăzut, care la acea vreme era o realizare remarcabilă. Acest lucru a fost realizat prin dezvoltarea unui tun special cu electroni cu zgomot redus . Înainte de asta, în toate TWT-urile, au fost folosite așa-numitele „tunuri Pierce”, care aveau un nivel ridicat de zgomot propriu. Anodul acestui pistol a fost conectat la un helix, care nu permitea controlul separat al tensiunii pe anod, de care depindea puternic zgomotul, și al tensiunii pe helix, care a fost selectată din necesitatea îndeplinirii condițiilor de sincronism între unda lentă de încărcare spațială în fasciculul de electroni și unda de câmp în spirală. MA Bruk a dezvoltat catozi speciali de oxizi, care aveau un grad ridicat de uniformitate a emisiei de electroni de la suprafața catodului. Un al doilea anod a fost introdus în pistol, ceea ce a făcut posibilă reglarea separată a tensiunii. Factorul de zgomot TWT a fost redus cu aproape un ordin de mărime.
Producători moderni de TWT
- Uniunea Europeană -GrupulThales [2]
- SUA - L3HARRIS Electron Devices [3]
- SUA - CPI International [4]
- Regatul Unit -Teledyne e2v [5]
- Regatul Unit - TMD Technologies[6]
- Israel -Israel Aerospace Industries
- Japonia - Net Comsec Co Ltd
- India - Controlul creșterii
- Rusia -SA „Pluton”
- Rusia -NPP „Istok”
- Rusia -NPP „Almaz”
- China - Beijing BOE Vacuum Technology Co.,Ltd[7]
Vezi și
Note
- ↑ Rovensky G. V. Myakinkov Yuri Pavlovich - dezvoltator principal al copiei TWT Archival din 10 august 2013 la Wayback Machine . Fryazino, 2013, 114 p. ISBN 978-5-9901378-4-4 .
- ↑ Tuburi de undă care călătoresc . Grupul Thales . Preluat la 21 octombrie 2020. Arhivat din original la 14 aprilie 2021.
- ↑ Tuburi cu val care călătoresc . L3Harris™ Fast. înainte . Preluat la 21 octombrie 2020. Arhivat din original la 28 noiembrie 2020.
- ↑ Amplificatoare cu tuburi cu val de călătorie în aer liber (TWTA) - Satcom & Medical Products: Satcom Products, Communications & Power Industries (CPI ) . C.P.I. Internațional . Preluat la 21 octombrie 2020. Arhivat din original la 28 octombrie 2020.
- ↑ Tuburi cu undă de călătorie cu cavitate cuplate (CCTWTs ) . e2v . Preluat la 21 octombrie 2020. Arhivat din original la 26 septembrie 2020.
- ↑ Alex. Tuburi pentru microunde . TMD Technologies (7 martie 2016). Preluat la 21 octombrie 2020. Arhivat din original la 28 octombrie 2020.
- ↑ Pagina principală . Beijing BOE Vacuum Technology Co.,Ltd . Preluat la 23 octombrie 2020. Arhivat din original la 28 iulie 2020.
Literatură
- Trubetskov D.I., Hramov A.E. Prelegeri despre electronica cu microunde pentru fizicieni. - M. : Fizmatlit, 2003. - T. 1. - 496 p.
- Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. si altele.Generarea de oscilatii si formarea semnalelor radio. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .
- Trubetskov D.I., Vdovina G.M. Lampă cu val călător (istorie în persoane și destine) // UFN. - 2020. - T. 190 . — S. 543–556 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.12.038707 .
| Dispozitive electronice de vid (cu excepția fasciculului catodic ) | ||
|---|---|---|
| Lămpi generatoare și amplificatoare | ||
| Alte | ||
| Tipuri de performanță |
| |
| Elemente structurale |
| |