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
Росэлектроника ЛБВ 1980-х годов использовалась в России. Горизонт спутники связи

А лампа бегущей волны (TWT, произносится как "твит"[1]) или усилитель на лампе бегущей волны (TWTA, произносится как "твита") является специализированным вакуумная труба что используется в электроника усилить радиочастота (RF) сигналы в микроволновая печь классифицировать.[2] ЛБВ относится к категории "линейно-лучевых" трубок, таких как клистрон, в котором радиоволна усиливается за счет поглощения мощности луча электроны когда он проходит по трубе.[2] Хотя существуют различные типы ЛБВ, есть две основные категории:[2]

  • Спиральная ЛБВ - в котором радиоволны взаимодействуют с электронным лучом при движении по проводу спираль который окружает луч. У них широкая полоса пропускания, но выходная мощность ограничена несколькими сотнями ватт.[3]
  • ЛБВ со связанными резонаторами - в котором радиоволна взаимодействует с лучом в серии объемные резонаторы через который проходит луч. Они работают как узкополосные усилители мощности.

Основным преимуществом ЛБВ перед некоторыми другими микроволновыми лампами является ее способность усиливать широкий диапазон частоты то есть большой пропускная способность. Полоса пропускания спиральной ЛБВ может достигать двух октавы, а варианты резонатора имеют ширину полосы 10–20%.[2][3] Диапазон рабочих частот от 300 МГц до 50 ГГц.[2][3] Коэффициент усиления лампы порядка 40-70 децибелы,[3] а выходная мощность колеблется от нескольких ватт до мегаватты.[2][3]

На ЛБВ приходится более 50% объема продаж всех электронных микроволновых ламп.[2] Они широко используются в качестве усилителей мощности и генераторы в радар системы, спутник связи и космический корабль передатчики, и радиоэлектронная борьба системы.[2]

Схема спиральной ЛБВ

Описание

Базовый ЛБВ

ЛБВ представляет собой вытянутую вакуумную трубку с электронная пушка (горячий катод что излучает электроны ) на одном конце. А Напряжение нанесенный на катод и анод ускоряет электроны по направлению к дальнему концу трубки, а 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 траекторией луча, намотана спираль из проволоки, обычно бескислородная медь. Усиливаемый радиочастотный сигнал подается в спираль в точке рядом с эмиттерным концом трубки. Сигнал обычно подается в спираль через волновод или электромагнитная катушка, размещенная на одном конце, образующая односторонний путь прохождения сигнала, направленный ответвитель.

Управляя 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, по которому движутся электроны. В зависимости от фазы сигнала электроны будут ускоряться или замедляться при прохождении через обмотки. 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, расположенные вдоль ВЧ-цепи, предотвращают возвращение отраженной волны к катоду.

Более мощные спиральные ЛБВ обычно содержат оксид бериллия керамика как опорный стержень спирали, а в некоторых случаях как коллектор электронов для ЛБВ из-за ее особых электрических, механических и термических свойств.[4][5]

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 - это клистрон. Все эти лампы 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 резонансная полость который подключен к источнику радиосигнала. Сигнал в момент прохождения электронов через отверстие вызывает их ускорение (или замедление). 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 взаимодействием со спиралью по всей длине трубки. Это позволяет ЛБВ иметь очень низкий уровень шума, что является основным преимуществом конструкции. Что еще более полезно, 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.[6][7]

ЛБВ со связанными резонаторами

Пиковая ВЧ-мощность спиральных ЛБВ ограничена током (и, следовательно, толщиной) спиральной проволоки. По мере увеличения уровня мощности проволока может перегреться и вызвать деформацию спирали. Толщина проволоки может быть увеличена, чтобы улучшить ситуацию, но если проволока слишком толстая, получить требуемую толщину невозможно. шаг спирали для правильной работы. Обычно спиральные ЛБВ достигают выходной мощности менее 2,5 кВт.

В ЛБВ со связанными резонаторами преодолевает этот предел, заменяя спираль серией связанных полостей, расположенных в осевом направлении вдоль балки. Эта структура обеспечивает спиральную волновод, и, следовательно, усиление может происходить за счет модуляции скорости. Спиральные волноводы имеют очень нелинейную дисперсию и поэтому являются только узкополосными (но шире, чем клистрон ). ЛБВ со связанными резонаторами может достигать выходной мощности 60 кВт.

Операция аналогична работе клистрон, за исключением того, что ЛБВ со связанными резонаторами разработаны с затуханием между замедляющей структурой, а не дрейфовой трубкой. Замедляющая структура дает ЛБВ широкую полосу пропускания. А лазер на свободных электронах позволяет более высокие частоты.

Усилитель бегущей волны

ЛБВ, интегрированная с регулируемым источник питания а схемы защиты именуются усилителем на лампе бегущей волны.[8] (сокращенно TWTA и часто произносится как "TWEET-uh"). Используется для производства мощных радиочастота сигналы. Пропускная способность широкополосного TWTA может достигать одного октава,[нужна цитата ] 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 клистрон ) и регулируется источник питания электронный кондиционер (EPC), 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 линеаризатор (что касается индуктивная выходная трубка ) может за счет дополнительной компенсации улучшить усиление сжатия 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

Оригинальный дизайн и прототип TWT были выполнены Андреем «Энди» Хеффом c. 1931 г., когда он работал докторантом в радиационной лаборатории Келлогга в Калтехе. Его оригинальный патент «Устройство и метод управления токами высокой частоты» был подан в 1933 году и выдан в 1936 году.[9][10]

Изобретение ЛБВ часто приписывают Рудольф Компфнер в 1942–1943 гг. Кроме того, Нильс Линденблад, работающий в RCA (Radio Corporation of America) в США, также в мае 1940 года подал патент на устройство.[11] это было удивительно похоже на ЛБВ Компфнера.[12]:2 Оба этих устройства были усовершенствованы по сравнению с оригинальной конструкцией Haeff, поскольку оба использовали недавно изобретенную точность. электронная пушка 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.[10] Компфнер разработал свою ЛБВ в британском Адмиралтейство радиолокационная лаборатория во время Вторая Мировая Война.[13] Его первый эскиз его ЛБВ датирован 12 ноября 1942 года, а свою первую ЛБВ он построил в начале 1943 года.[12]:3[14]Позднее ЛБВ был усовершенствован Компфнером,[14] Джон Р. Пирс,[15] и Лестер М. Филд в Bell Labs. Обратите внимание, что патент Компфнера в США, выданный в 1953 году, действительно ссылается на предыдущую работу Хаэфа.[10]

К 1950-м годам после дальнейшей разработки на Лаборатория электронных трубок в Hughes Aircraft Company в Калвер-Сити, Калифорния, там начали производство ЛБВ, а к 1960-м годам ЛБВ также производились такими компаниями, как Английская компания по производству электрических клапанов, с последующим Ферранти в 1970-е гг.[16][17][18]

10 июля 1962 года первый спутник связи, Telstar 1, был запущен с использованием разработанного RCA транспондера с ЛБВ мощностью 2 Вт, 4 ГГц, используемого для передачи радиосигналов на земные станции. Syncom 2 был успешно выведен на геостационарную орбиту 26 июля 1963 года с двумя 2-ваттными, 1850 МГц разработанными Хьюзом транспондерами ЛБВ - одним активным и одним запасным.[19][20]

Использует

TWTA обычно используются в качестве усилителей в спутниковое транспондеры, где входной сигнал очень слабый, а на выходе требуется высокая мощность.[21]

TWTA, выход которого управляет антенна это тип передатчик. Передатчики TWTA широко используются в радар, особенно в бортовых радар управления огнем систем, а в радиоэлектронная борьба и системы самозащиты.[22] В таких приложениях между электронной пушкой ЛБВ и замедляющей структурой обычно вводится управляющая сетка, позволяющая работать в импульсном режиме. Схема, которая управляет сетью управления, обычно называется сеткой. модулятор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мир электроники + Мир беспроводной связи. Reed Business Pub. 1991. стр. 66.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Гилмор, А. С. (2011). Клистроны, трубки бегущей волны, магнетроны, усилители с пересеченным полем и гиротроны. Артек Хаус. С. 317–18. ISBN  978-1608071852.
  3. ^ а б c d е Уитакер, Джерри К. (2002). Справочник по системам передачи РЧ. CRC Press. С. 8.14–8.16. ISBN  1420041134.
  4. ^ 1997 Промышленная оценка индустрии СВЧ-трубок - Министерство обороны США [1]
  5. ^ Свойства оксида бериллия
  6. ^ «Труба бегущей волны»
  7. ^ "Лампы с модуляцией скорости"
  8. ^ Джон Эверетт (1992). Vsats: терминалы с очень малой апертурой. ИЭПП. ISBN  0-86341-200-9.
  9. ^ США 2064469 
  10. ^ а б c Коупленд, Джек; Haeff, Андре А. (сентябрь 2015 г.). «Истинная история трубы бегущей волны». IEEE Spectrum. 52 (9): 38–43. Дои:10.1109 / MSPEC.2015.7226611. S2CID  36963575.
  11. ^ США 2300052 
  12. ^ а б Гилмор, А. С. (1994). Принципы ламп бегущей волны. Радарная библиотека Artech House. Бостон: Artech House. С. 2–3. ISBN  978-0-890-06720-8.
  13. ^ Шулим Э. Цимринг (2007). Электронные пучки и вакуумная электроника СВЧ. Джон Уайли и сыновья. п. 298. ISBN  978-0-470-04816-0.
  14. ^ а б Компфнер, Рудольф (1964). Изобретение бегущей волны. Сан-Франциско Пресс.
  15. ^ Пирс, Джон Р. (1950). Лампы бегущей волны. D. van Nostrand Co.
  16. ^ Веб-сайт Fire Direct В архиве 2009-09-23 на Wayback Machine. Доступ 2 июля 2008 г.
  17. ^ "ЛБВ - лампы бегущей волны". Архивировано из оригинал на 2008-09-19. Получено 2008-07-08.
  18. ^ Хью Гриффитс (G4CNV) (сентябрь 1980 г.). "Усилители на лампах бегущей волны". RadCom. Получено 2015-07-15.
  19. ^ Циммерман, Роберт (осень 2000 г.). «ТЕЛСТАР». Журнал изобретений и технологий. Американское наследие. 16 (2). Архивировано из оригинал 13 октября 2007 г.. Получено 2 июля 2008.
  20. ^ Пруд, Норман Х. (2008). The Tube Guys. Вест-Плейнс, штат Миссури: Расс Кокран. п. 328. ISBN  978-0-9816923-0-2. Архивировано из оригинал 19 июня 2010 г.
  21. ^ Деннис Родди (2006). Спутниковая связь. McGraw-Hill Professional. ISBN  0-07-146298-8.
  22. ^ Л. Сиван (1994). СВЧ ламповые передатчики. Springer. ISBN  0-412-57950-2.

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]

внешняя ссылка