Cestující vlnová lampa
Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 15. července 2017; kontroly vyžadují 12 úprav .Lampa s postupnou vlnou (TWT) je elektrovakuové zařízení, ve kterém se interakce postupující elektromagnetické vlny a toku elektronů pohybujících se ve stejném směru používá ke generování a/nebo zesílení mikrovlnných elektromagnetických oscilací (na rozdíl od žárovky se zpětnou vlnou (WOW) ) . .
Úvod
Lampa s putující vlnou byla poprvé vytvořena Rudolfem Kompfnerem v roce 1943 (podle jiných zdrojů v roce 1944).
Trubky s postupnou vlnou se dělí do dvou tříd: TWT typ O a TWT typ M.
U zařízení typu O se kinetická energie elektronů přeměňuje na energii mikrovlnného pole v důsledku zpomalení elektronu tímto polem. Magnetické pole v takových lampách je směrováno podél směru šíření paprsku a slouží pouze k jeho zaostření.
U zařízení typu M přechází potenciální energie elektronů posouvajících se v důsledku opakovaného zpomalování a zrychlování od katody k anodě do energie mikrovlnného pole . Průměrná kinetická energie zůstává konstantní. Magnetické pole v takových zařízeních je směrováno kolmo ke směru šíření paprsku.
TWT typ O
Zařízení a princip činnosti
Princip činnosti výbojek s postupnou vlnou (TWT) je založen na mechanismu dlouhodobé interakce toku elektronů s polem postupné elektromagnetické vlny. Na obrázku je schematicky znázorněno zařízení TWT. Elektronové dělo generuje elektronový paprsek s určitým průřezem a intenzitou. Rychlost elektronu je určena urychlovacím napětím. Pomocí zaostřovacího systému , který vytváří podélné magnetické pole, je zajištěn požadovaný průřez paprsku po celé dráze podél zpomalovacího systému. U TWT jsou elektronové dělo, spirálový pomalovlnný systém a kolektor umístěny ve skleněném nebo kovovém kontejneru, zatímco zaostřovací solenoid je umístěn venku. Spirála je připevněna mezi dielektrické tyče, které by měly mít nízké mikrovlnné ztráty a dobrou tepelnou vodivost. Poslední požadavek je důležitý u výbojek středního a vysokého výstupního výkonu, kdy se spirála zahřívá vlivem usazování elektronů a toto teplo je nutné odvádět, aby spirála neshořela.
Na vstupu a výstupu zpomalovacího systému jsou speciální zařízení pro jeho přizpůsobení přenosovým linkám. Ten může být buď vlnovodný nebo koaxiální. Vstup přijímá mikrovlnný signál, který je v zařízení zesilován a přenášen z výstupu do zátěže.
Je obtížné dosáhnout dobré shody v celém pásmu zisku lampy. Proto existuje nebezpečí vnitřní zpětné vazby v důsledku odrazu elektromagnetické vlny na koncích zpomalovacího systému, přičemž TWT může přestat plnit své funkce zesilovače. Pro eliminaci samobuzení se zavádí absorbér, který může být vyroben ve formě absorbující keramické tyče nebo ve formě absorbujících filmů.
Parametry a charakteristiky
Parametr ziskuParametr zisku je bezrozměrný faktor:
, kde je vazební odpor, je katodový proud a je potenciál poslední anody elektronového děla TWT.
![C={\sqrt[ {3}]{{\frac {R_{{CB}}I_{0}}{4U_{0}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2e3d9304ce9ca2428367b94b68752f729db1b0e5)
Hodnoty C jsou ~0,1–0,01.
ZiskZisk TWT v lineárním režimu je přímo úměrný parametru C .
Skutečně dosažitelná hodnota zisku středního a vysokého výkonu TWT je 25-40 dB , tedy o něco nižší než u vícedutinových klystronů (60 dB). U TWT s nízkým výkonem může zisk dosáhnout 60 dB.
Frekvenční rozsahZvláště cennou vlastností TWT je jejich širokopásmové připojení. Zisk TWT při konstantním urychlovacím napětí může zůstat téměř nezměněn v širokém frekvenčním pásmu - asi 20 - 50% průměrné frekvence. V tomto ohledu jsou TWT výrazně lepší než zesilovací klystrony, které mohou poskytnout velmi vysoký zisk, ale mají mnohem užší frekvenční pásmo.
VýkonV závislosti na účelu se TWT vyrábí pro výstupní výkony od zlomků mW (vstupní nízkovýkonové a nízkošumové TWT v mikrovlnných zesilovačích) až po desítky kW (výstupní vysokovýkonné TWT v mikrovlnných vysílačích) v kontinuálním režimu a až několik MW v pulzním režimu.
V TWT nízkého a středního výkonu se používají spirálové pomalovlnné systémy a ve vysokovýkonných TWT se používají řetězy spřažených rezonátorů.
ÚčinnostElektrony prolétající zpomalovacím systémem odevzdávají část své kinetické energie mikrovlnnému poli, což vede ke snížení rychlosti elektronů. To však porušuje podmínku fázové shody V e ≅ V f . Z toho vyplývá hlavní omezení účinnosti TWT, které je spojeno s nemožností přenést celou kinetickou energii elektronů do mikrovlnného pole: elektronové shluky jsou přemístěny z oblasti zpomalovacího pole do oblasti zrychlujícího.
Dolní mez rychlosti elektronu je určena fázovou rychlostí pomalé vlny. Účinnost by proto měla být tím větší, čím větší je přebytek počáteční rychlosti elektronů nad fázovou rychlostí vlny v moderačním systému. S nárůstem desynchronismu se však seskupení na vstupní sekci pomalovlnného systému zhoršuje a zisk prudce klesá. Požadavky na maximální účinnost a vysoký zisk v TWT se tedy ukazují jako protichůdné.
Reálná hodnota účinnosti LBVO je 30-40%.
Aplikace
Nízkovýkonové TWT se používají ve vstupních zesilovačích, střední výkon v mezizesilovačích a vysoký výkon v zesilovačích výstupního výkonu mikrovlnných oscilací.
Typ M TWT
Rozdíl od TWT typu O
U TWT typu M, na rozdíl od TWT, existují dvě základní vlastnosti:
- Nejvýhodnější interakce elektronů s postupující vlnou a přenos energie z elektronů do pole nastává, když jsou průměrná rychlost elektronu a fázová rychlost vlny přesně stejné ( V e = V f ). Naopak pro přenos energie z elektronů do pole v TWT typu O je nutné, aby se elektrony pohybovaly o něco rychleji.
- v TWT dávají elektrony poli pouze přebytečnou kinetickou energii odpovídající rozdílu rychlostí elektronů a vlny. Účinnost je omezena přípustným rozdílem mezi těmito rychlostmi. Energie přenášená do pole je odebírána ze zdroje urychlovacího napětí . V LBVM se kinetická energie elektronů nemění a potenciální energie elektronů se přenáší do pole.
Zařízení a princip činnosti
Lampa má dvě hlavní části: injekční zařízení a interakční prostor.
Injekční zařízení, které se skládá z žhavené katody a řídící elektrody, zajišťuje vytvoření páskového elektronového toku a jeho zavedení do interakčního prostoru.
Interakční prostor, sestávající z vlnovodu , absorbéru, anodového pomalovlnného systému, vlnovodu, kolektoru a studené katody, zajišťuje interakci elektronů s mikrovlnným polem. Pro vytvoření takové interakce je nutné splnit podmínku
, kde je počáteční rychlost proudění na vstupu do interakčního prostoru, je translační rychlost ve zkřížených elektrických ( ) a magnetických polích ( ).
Když je tato podmínka splněna, elektrony se v nepřítomnosti mikrovlnného pole pohybují přímočaře směrem ke kolektoru. Protože počáteční průtok je určen vztahem
, pak se výše uvedená podmínka snižuje na
Parametry zařízení jsou voleny tak, že když se na vstupu pomalovlnného systému na některé z jeho prostorových harmonických objeví mikrovlnný signál, byla splněna podmínka fázového přizpůsobení zařízení typu M ( V 0 = V f ) je splněno. V tomto případě dojde ve zpomalovacích půlcyklech elektrického pole této harmonické ke zvýšení energie mikrovlnného signálu v důsledku poklesu potenciální energie elektronů. Zesílený mikrovlnný signál přichází na výstup zpomalovacího systému a elektrony se usazují na kolektoru.
Elektronka s postupnou vlnou typu M, stejně jako elektronka s postupnou vlnou typu O, je širokopásmový zesilovač, a proto je v ní možné samobuzení díky odrazu zesíleného signálu od výstupu zpožďovacího systému. K zabránění samobuzení se používá absorbér.
Parametry a charakteristiky
ZiskCharakteristický pohled na závislost zesílení na příkonu je na obrázku. Při nízkých úrovních vstupního signálu roste amplituda kmitů na výstupu TWT a hodnota zesílení přímo úměrně k hodnotě vstupního signálu. Vazba je pozorována, dokud elektrony nezačnou padat místo kolektoru k anodě na konci zpomalovacího systému. V tomto případě se zpomaluje růst výstupního výkonu a klesá zisk TWT.
Zisk u skutečných elektronek s postupnou vlnou typu M dosahuje 40 dB nebo více.
Frekvenční rozsahŠířka pásma pracovních frekvencí v zesilovačích na bázi TWT dosahuje 30 % průměrné pracovní frekvence a je určena disperzní charakteristikou pomalovlnného systému.
VýkonVýstupní výkon LBVM v kontinuálním režimu dosahuje několika kilowattů , v pulzním režimu - několik megawattů.
ÚčinnostÚčinnost zesilovače na TWT lze odhadnout na základě skutečnosti, že maximální potenciální energie, kterou může elektron přenést do mikrovlnného pole ,
Kinetická energie elektronu, která není dána mikrovlnnému poli:
V reálných zařízeních jeho účinnost nepřesahuje 70 %.
Vytvoření TWT v SSSR
První domácí TWT typu UV-1 byl vytvořen na NII-5 Hlavního dělostřeleckého ředitelství Ministerstva obrany SSSR (nyní OAO Moskevský výzkumný ústav přístrojové automatizace (MNIIPA) ). Přímým vykonavatelem prací na UV-1 byl A. V. Ievsky ; Aktivně se zúčastnili M. F. Stelmakh a M. A. Bruk . Lampa UV-1 a její následné modifikace, které pracovaly v zesilovacím režimu, se vyznačovaly nízkým šumovým faktorem, což byl v té době vynikající výkon. Toho bylo dosaženo vývojem speciálního nízkohlučného elektronového děla . Předtím se ve všech TWT používaly tzv. „Pierce guns“, které měly vysokou hladinu vlastního hluku. Anoda této pistole byla napojena na šroubovici, která neumožňovala oddělenou kontrolu napětí na anodě, na které silně závisel hluk, a napětí na šroubovici, které bylo zvoleno z potřeby splnit podmínky synchronizace mezi vlnu pomalého prostorového náboje v elektronovém paprsku a vlnu pole ve šroubovici. MA Bruk vyvinul speciální oxidové katody, které měly vysoký stupeň rovnoměrnosti emise elektronů z povrchu katody. Do pistole byla zavedena druhá anoda, která umožňovala samostatné nastavení napětí. Šumový faktor TWT byl snížen téměř o řád.
Moderní výrobci TWT
- Evropská unie –ThalesGroup [2]
- USA – L3HARRIS Electron Devices [3]
- USA – CPI International [4]
- Spojené království -Teledyne e2v [5]
- Spojené království – TMD Technologies[6]
- Izrael –Israel Aerospace Industries
- Japonsko – Net Comsec Co Ltd
- Indie – Grow Controls
- Rusko —JSC "Pluton"
- Rusko -JE "Istok"
- Rusko -JE "Almaz"
- Čína – Peking BOE Vacuum Technology Co., Ltd[7]
Viz také
Poznámky
- ↑ Rovensky G. V. Myakinkov Yuri Pavlovich - hlavní vývojář kopie TWT Archival ze dne 10. srpna 2013 na Wayback Machine . Fryazino, 2013, 114 s. ISBN 978-5-9901378-4-4 .
- ↑ Trubky s pohyblivou vlnou . Skupina Thales . Získáno 21. října 2020. Archivováno z originálu dne 14. dubna 2021.
- ↑ Travelling Wave Tubes . L3Harris™ Rychlý. vpřed . Získáno 21. října 2020. Archivováno z originálu dne 28. listopadu 2020.
- ↑ Venkovní zesilovače s pohyblivou vlnou (TWTA) – Satcom & Medical Products: Satcom Products, Communications & Power Industries (CPI ) . Mezinárodní C.P.I. Získáno 21. října 2020. Archivováno z originálu dne 28. října 2020.
- ↑ Coupled - Cavity Traveling Wave Tubes ( CCTWT ) . e2v . Získáno 21. října 2020. Archivováno z originálu dne 26. září 2020.
- ↑ Alex. Mikrovlnné trubice . TMD Technologies (7. března 2016). Získáno 21. října 2020. Archivováno z originálu dne 28. října 2020.
- ↑ Hlavní stránka . Peking BOE Vacuum Technology Co., Ltd. Získáno 23. října 2020. Archivováno z originálu dne 28. července 2020.
Literatura
- Trubetskov D.I., Khramov A.E. Přednášky o mikrovlnné elektronice pro fyziky. - M. : Fizmatlit, 2003. - T. 1. - 496 s.
- Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. a další Generování kmitů a vytváření rádiových signálů. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .
- Trubetskov D.I., Vdovina G.M. Lampa s putující vlnou (historie v osobách a osudech) // UFN. - 2020. - T. 190 . — S. 543–556 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.12.038707 .
| Vakuová elektronická zařízení (kromě katodového paprsku ) | ||
|---|---|---|
| Generátor a zesilovací lampy | ||
| jiný | ||
| Druhy výkonů |
| |
| Konstrukční prvky |
| |