Лампа бегущей волны - Traveling-wave tube

Вид спиральной ЛБВ в разрезе. (1) Электронная пушка; (2) вход RF; (3) Магниты; (4) Аттенюатор; (5) спиральная катушка; (6) выход RF; (7) вакуумная трубка; (8) Коллекционер
ЛБВ " Русэлектроники " 80-х годов, использовавшаяся в российских спутниках связи " Горизонт"

Лампы бегущей волны ( ЛБВ , объявленный «кретин») или усилитель бегущей волны трубки ( TWTA , объявленный «tweeta») является специализированным вакуумную трубку , которая используется в электронике для усиления радиочастотных (РЧ) сигналов в СВЧ - диапазоне. ЛБВ относится к категории трубок с "линейным пучком", таких как клистрон , в которых радиоволна усиливается за счет поглощения энергии пучка электронов, проходящего по трубке. Хотя существуют различные типы ЛБВ, есть две основные категории:

  • Спиральная ЛБВ - в которой радиоволны взаимодействуют с электронным лучом, перемещаясь по проволочной спирали, окружающей луч. У них широкая полоса пропускания, но выходная мощность ограничена несколькими сотнями ватт.
  • ЛБВ со связанными полостями - в которых радиоволна взаимодействует с лучом в серии полостных резонаторов, через которые проходит луч. Они работают как узкополосные усилители мощности.

Основным преимуществом ЛБВ перед некоторыми другими микроволновыми лампами является ее способность усиливать широкий диапазон частот, то есть широкую полосу пропускания . Ширина полосы спиральной ЛБВ может достигать двух октав , в то время как варианты резонатора имеют ширину полосы 10–20%. Диапазон рабочих частот от 300 МГц до 50 ГГц. Коэффициент усиления лампы составляет от 40 до 70 децибел , а выходная мощность колеблется от нескольких ватт до мегаватт .

На ЛБВ приходится более 50% объема продаж всех вакуумных СВЧ-ламп. Они широко используются в качестве усилителей мощности и генераторов в радиолокационных системах, передатчиках спутников связи и космических кораблей , а также в системах радиоэлектронной борьбы .

Схема спиральной ЛБВ

Описание

Базовый ЛБВ

ЛБВ представляет собой удлиненную вакуумную трубку с электронной пушкой (нагретый катод , испускающий электроны ) на одном конце. Напряжение , приложенное к катоду и аноду ускоряет электроны по направлению к дальнему концу трубки, и внешнее магнитное поле вокруг трубки фокусирует электроны в пучок. На другом конце трубки электроны ударяются о «коллектор», который возвращает их в цепь.

Внутри трубки, сразу за пределами пути луча, намотана спираль из проволоки, обычно из бескислородной меди . Усиливаемый радиочастотный сигнал подается в спираль в точке рядом с эмиттерным концом трубки. Сигнал обычно подается в спираль через волновод или электромагнитную катушку, размещенную на одном конце, образуя односторонний путь сигнала, направленный ответвитель .

Путем управления ускоряющим напряжением скорость электронов, текущих по трубке, устанавливается так, чтобы она была подобна скорости радиочастотного сигнала, бегущего по спирали. Сигнал в проводе вызывает индукцию магнитного поля в центре спирали, где движутся электроны. В зависимости от фазы сигнала электроны будут ускоряться или замедляться при прохождении обмоток. Это заставляет электронный луч «группироваться», технически известное как «модуляция скорости». Результирующая диаграмма электронной плотности в луче является аналогом исходного радиочастотного сигнала.

Поскольку луч проходит по спирали, и этот сигнал меняется, он вызывает индукцию в спирали, усиливая исходный сигнал. К тому времени, когда он достигает другого конца трубки, этот процесс успевает передать значительную энергию обратно в спираль. Второй направленный ответвитель, расположенный рядом с коллектором, принимает усиленную версию входного сигнала от дальнего конца ВЧ-цепи. Аттенюаторы, размещенные вдоль ВЧ-цепи, предотвращают возвращение отраженной волны к катоду.

Более мощные спиральные ЛБВ обычно содержат керамику из оксида бериллия как в качестве опорного стержня спирали, так и в некоторых случаях в качестве коллектора электронов для ЛБВ из-за ее особых электрических, механических и термических свойств.

Сравнение

Советская УВ-1008 (УВ-1008) ЛБВ с 1976 г., с волноводным входом и выходом

Существует ряд ламп ВЧ-усилителей, которые работают аналогично ЛБВ, которые вместе известны как лампы с модуляцией скорости. Самый известный пример - клистрон . Все эти трубки используют одну и ту же базовую «группировку» электронов для обеспечения процесса усиления и сильно различаются тем, какой процесс вызывает модуляцию скорости.

В клистроне электронный пучок проходит через отверстие в резонансной полости, которая подключена к источнику радиочастотного сигнала. Сигнал в момент прохождения электронов через отверстие заставляет их ускоряться (или замедляться). Электроны попадают в «дрейфовую трубку», в которой более быстрые электроны догоняют более медленные, создавая сгустки, после чего электроны проходят через другую резонансную полость, из которой берется выходная мощность. Поскольку процесс сортировки по скорости требует времени, дрейфовая труба часто должна быть длиной в несколько футов.

Для сравнения, в ЛБВ ускорение вызывается взаимодействиями со спиралью по всей длине трубки. Это позволяет ЛБВ иметь очень низкий выходной шум, что является основным преимуществом конструкции. Более полезно то, что этот процесс гораздо менее чувствителен к физическому устройству лампы, что позволяет ЛБВ работать на более широком диапазоне частот. ЛБВ обычно имеют преимущество, когда полезны низкий уровень шума и изменчивость частоты.

ЛБВ со связанными резонаторами

Пиковая ВЧ-мощность спиральных ЛБВ ограничена текущим током (и, следовательно, толщиной) спиральной проволоки. При повышении уровня мощности проволока может перегреться и вызвать деформацию спирали. Толщина проволоки может быть увеличена для улучшения ситуации, но если проволока слишком толстая, становится невозможным получить требуемый шаг спирали для правильной работы. Обычно спиральные ЛБВ достигают выходной мощности менее 2,5 кВт.

Л в сочетании резонатора преодолевает этот предел, заменив спираль с серией соединенных полостей расположены в осевом направлении вдоль луча. Эта структура обеспечивает спиральный волновод , и, следовательно, усиление может происходить за счет модуляции скорости. Спиральные волноводы имеют очень нелинейную дисперсию и поэтому являются узкополосными (но шире клистрона ). ЛБВ со связанными резонаторами может достигать выходной мощности 60 кВт.

Работа аналогична клистрону , за исключением того, что ЛБВ со связанными резонаторами спроектированы с затуханием между замедляющей структурой, а не дрейфовой трубкой. Замедляющая структура дает ЛБВ широкую полосу пропускания. Лазера на свободных электронах позволяет более высокие частоты.

Усилитель бегущей волны

ЛБВ, интегрированная со схемами регулируемого источника питания и защиты, называется усилителем на лампе бегущей волны (сокращенно TWTA и часто произносится как «TWEET-uh»). Он используется для генерации мощных радиочастотных сигналов. Ширина полосы широкополосного TWTA может достигать одной октавы , хотя существуют настроенные (узкополосные) версии; диапазон рабочих частот от 300 МГц до 50 ГГц.

TWTA состоит из лампы бегущей волны, соединенной со схемами защиты (как в клистроне ), и электронного стабилизатора мощности (EPC) с регулируемым источником питания , который может поставляться и интегрироваться другим производителем. Основное различие между большинством источников питания и источниками питания для электронных ламп заключается в том, что эффективные вакуумные лампы имеют пониженные коллекторы для рециркуляции кинетической энергии электронов, поэтому вторичной обмотке источника питания требуется до 6 отводов, из которых напряжение спирали требует точного регулирования. Последующее добавление линеаризатора (как для индуктивной выходной лампы ) может, путем дополнительной компенсации, улучшить компрессию усиления и другие характеристики TWTA; эта комбинация называется линеаризованным TWTA (LTWTA, «EL-tweet-uh»).

Широкополосные ЛБВ обычно используют спиральную ЛБВ и достигают выходной мощности менее 2,5 кВт. ЛБВС, использующие ЛБВ со связанными резонаторами, могут достигать выходной мощности 15 кВт, но за счет более узкой полосы пропускания.

Изобретение, разработка и раннее использование

Первоначальный дизайн и прототип TWT были выполнены Андреем «Энди» Хеффом c. 1931 г., когда он работал докторантом в радиационной лаборатории Келлогга в Калифорнийском технологическом институте. Его оригинальный патент «Устройство и метод управления токами высокой частоты» был подан в 1933 году и выдан в 1936 году.

Изобретение ЛБВ часто приписывают Рудольфу Компфнеру в 1942–1943 годах. Кроме того, Нильс Линденблад, работающий в RCA (Radio Corporation of America) в США, также в мае 1940 года подал патент на устройство, которое было удивительно похоже на ЛБВ Компфнера. Оба эти устройства были усовершенствованы по сравнению с оригинальной конструкцией Хаэфа, поскольку оба использовали недавно изобретенную прецизионную электронную пушку в качестве источника электронного луча, и оба они направляли луч вниз по центру спирали, а не за ее пределы. Эти изменения конфигурации привели к гораздо большему усилению волн, чем конструкция Хаэфа, поскольку они основывались на физических принципах модуляции скорости и группировки электронов. Компфнер разработал свою ЛБВ в радиолокационной лаборатории Адмиралтейства Великобритании во время Второй мировой войны . Его первый набросок ЛБВ датирован 12 ноября 1942 года, а свою первую ЛБВ он построил в начале 1943 года. Позднее ЛБВ был усовершенствован Компфнером, Джоном Р. Пирсом и Лестером М. Уинслоу в Bell Labs . Обратите внимание, что патент Компфнера в США, выданный в 1953 году, действительно ссылается на предыдущую работу Хаэфа.

К 1950-м годам, после доработки в лаборатории электронных трубок компании Hughes Aircraft Company в Калвер-Сити, Калифорния, там начали производство ЛБВ, а к 1960-м годам ЛБВ также производились такими компаниями, как English Electric Valve Company , за которой следовала Ferranti in 1970-е годы.

10 июля 1962 года был запущен первый спутник связи Telstar 1 с разработанным RCA транспондером TWT мощностью 2 Вт, 4 ГГц, который использовался для передачи радиосигналов на земные станции. Syncom 2 был успешно запущен на геостационарную орбиту 26 июля 1963 года с двумя 2-ваттными, 1850 МГц разработанными Хьюзом транспондерами ЛБВ - одним активным и одним запасным.

Использует

TWTA обычно используются в качестве усилителей в спутниковых ретрансляторах , где входной сигнал очень слаб, а на выходе требуется высокая мощность.

TWTA, выход которого управляет антенной, является разновидностью передатчика . Передатчики TWTA широко используются в радарах , особенно в бортовых радиолокационных системах управления огнем , а также в системах радиоэлектронной борьбы и самозащиты. В таких приложениях между электронной пушкой ЛБВ и замедляющей структурой обычно вводится управляющая сетка, позволяющая работать в импульсном режиме. Схема, которая управляет сеткой управления, обычно называется модулятором сетки .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Коупленд, Джек; Haeff, Андре А. (сентябрь 2015 г.). «Истинная история трубы бегущей волны».
  • Андерсон, Картер М; (Ноябрь 2015 г.). «В поисках совершенной вакуумной трубки». IEEE Spectrum; [2]

внешние ссылки