Traveling -wave tube - Traveling-wave tube

Cutaway -visning av en spiral TWT. (1) Elektronpistol; (2) RF -inngang; (3) magneter; (4) Demper; (5) Helix -spole; (6) RF -utgang; (7) Vakuumrør; (8) Samler
Ruselectronics TWT fra 1980 -tallet brukt i de russiske Gorizont -kommunikasjonssatellittene

Et reise-bølgerør ( TWT , uttales "twit") eller reiser-bølge rørforsterker ( TWTA , uttales "tweeta") er et spesialisert vakuumrør som brukes i elektronikk for å forsterke radiofrekvenssignaler (RF) i mikrobølgeområdet . TWT tilhører en kategori av "lineære stråle" -rør, for eksempel klystron , der radiobølgen forsterkes ved å absorbere kraft fra en elektronstråle når den passerer ned i røret. Selv om det er forskjellige typer TWT, er to hovedkategorier:

  • Helix TWT - der radiobølgene samhandler med elektronstrålen mens de beveger seg nedover en trådspiral som omgir strålen. Disse har stor båndbredde, men utgangseffekten er begrenset til noen få hundre watt.
  • Koblet hulrom TWT - der radiobølgen samhandler med strålen i en rekke hulromsresonatorer som strålen passerer gjennom. Disse fungerer som smalbåndsforsterkere.

En stor fordel med TWT i forhold til andre mikrobølgerør er dens evne til å forsterke et bredt spekter av frekvenser, dvs. en stor båndbredde . Båndbredden til helix TWT kan være så høy som to oktaver , mens hulromsversjonene har båndbredder på 10–20%. Driftsfrekvenser varierer fra 300 MHz til 50 GHz. Rørets effektforsterkning er i størrelsesorden 40 til 70 desibel , og utgangseffekten varierer fra noen få watt til megawatt .

TWT -er står for over 50% av salgsvolumet for alle mikrobølgeovnsugrør. De er mye brukt som forsterkere og oscillatorer i radarsystemer, kommunikasjonssatellitt og romfartøyer sendere , og elektronisk krigføring systemer.

Diagram over helix TWT

Beskrivelse

En grunnleggende TWT

TWT er et langstrakt vakuumrør med en elektronpistol (en oppvarmet katode som avgir elektroner ) i den ene enden. En spenning påført over katoden og anoden akselererer elektronene mot den ytterste enden av røret, og et eksternt magnetfelt rundt røret fokuserer elektronene til en stråle. I den andre enden av røret treffer elektronene "kollektoren", som returnerer dem til kretsen.

Innpakket rundt innsiden av røret, like utenfor strålebanen, er en trådspiral, vanligvis oksygenfritt kobber . RF -signalet som skal forsterkes mates inn i spiralen på et punkt nær rørets emitterende. Signalet mates normalt inn i spiralen via en bølgeleder eller elektromagnetisk spole plassert i den ene enden, og danner en enveis signalbane, en retningskobling .

Ved å kontrollere akselerasjonsspenningen er hastigheten til elektronene som strømmer nedover røret satt til å være lik hastigheten til RF -signalet som løper nedover spiralen. Signalet i ledningen får et magnetfelt til å bli indusert i midten av spiralen, der elektronene flyter. Avhengig av fasen til signalet, vil elektronene enten bli oppskyndet eller bremset når de passerer viklingene. Dette får elektronstrålen til å "samle seg", teknisk kjent som "hastighetsmodulering". Det resulterende mønsteret for elektrontetthet i strålen er en analog av det originale RF -signalet.

Fordi strålen passerer spiralen mens den beveger seg, og det signalet varierer, forårsaker det induksjon i spiralen, og forsterker det originale signalet. Når den når den andre enden av røret, har denne prosessen hatt tid til å legge betydelig energi tilbake i spiralen. En andre retningskobling, plassert nær kollektoren, mottar en forsterket versjon av inngangssignalet fra den fjerne enden av RF -kretsen. Dempere plassert langs RF -kretsen forhindrer den reflekterte bølgen i å reise tilbake til katoden.

Høyere drevne helix TWT inneholder vanligvis berylliumoksidkeramikk som både en spiralstøtte og i noen tilfeller som en elektronsamler for TWT på grunn av dens spesielle elektriske, mekaniske og termiske egenskaper.

Sammenligning

Sovjetisk UV-1008 (УВ-1008) TWT fra 1976, med inngang og utgang av bølgeleder

Det finnes en rekke RF-forsterkerrør som fungerer på lignende måte som TWT, samlet kjent som hastighetsmodulerte rør. Det mest kjente eksemplet er klystron . Alle disse rørene bruker den samme grunnleggende "buntingen" av elektroner for å tilveiebringe forsterkningsprosessen, og er veldig forskjellige i hvilken prosess som får hastighetsmodulasjonen til å skje.

I klystronet passerer elektronstrålen gjennom et hull i et resonanshulrom som er koblet til kilden RF -signal. Signalet i det øyeblikket elektronene passerer gjennom hullet får dem til å akselerere (eller retardere). Elektronene kommer inn i et "drivrør" der raskere elektroner overhaler de langsommere, og skaper bunter, hvoretter elektronene passerer gjennom et annet resonanshulrom som utgangseffekten tas fra. Siden hastighetssorteringsprosessen tar tid, må drivrøret ofte være flere meter langt.

Til sammenligning skyldes akselerasjonen i TWT interaksjonene med spiralen langs hele rørets lengde. Dette gjør at TWT kan ha en svært lav støyeffekt, en stor fordel med designet. Mer nyttig er denne prosessen mye mindre sensitiv for det fysiske arrangementet av røret, som gjør at TWT kan operere over et bredere utvalg av frekvenser. TWT er generelt fordelaktig når lav støy og frekvensvariabilitet er nyttig.

TWT med koblet hulrom

Helix TWTs er begrenset i topp RF -effekt av den nåværende håndteringen (og derfor tykkelsen) av spiralkabelen. Etter hvert som effektnivået øker, kan ledningen overopphetes og føre til at spiralgeometrien forvrenges. Trådtykkelsen kan økes for å forbedre forholdene, men hvis ledningen er for tykk, blir det umulig å oppnå den nødvendige spiralhøyden for riktig drift. Vanligvis oppnår helix TWT -er mindre enn 2,5 kW utgangseffekt.

Den koplet-hulrom TWT overvinner denne begrensning ved å erstatte den skruelinjeform i en serie av koblede hulrom anordnet aksialt langs bjelken. Denne strukturen gir en spiralformet bølgeleder , og derfor kan forsterkning skje via hastighetsmodulasjon. Spirale bølgeledere har svært ulineær spredning og er derfor bare smalbåndet (men bredere enn klystron ). En TWT med koblet hulrom kan oppnå 60 kW utgangseffekt.

Driften er lik den for en klystron , bortsett fra at TWT-er med koblet hulrom er designet med demping mellom langsombølgestrukturen i stedet for et drivrør. Den langsomme bølgestrukturen gir TWT sin brede båndbredde. En gratis elektronlaser tillater høyere frekvenser.

Traveling-wave-tube forsterker

En TWT integrert med en regulert strømforsyning og beskyttelseskretser blir referert til som en forsterker med bølgerør (forkortet TWTA og ofte uttalt "TWEET-uh"). Den brukes til å produsere høyfrekvente radiofrekvenssignaler . Båndbredden til en bredbånds TWTA kan være så høy som en oktav , selv om det finnes tunede (smalbånd) versjoner; driftsfrekvenser varierer fra 300 MHz til 50 GHz.

En TWTA består av et vandrebølgerør kombinert med sine beskyttelseskretser (som i klystron ) og regulert strømforsyning elektronisk effektanlegget (EPC), som kan tilføres og integreres ved hjelp av en annen produsent. Hovedforskjellen mellom de fleste strømforsyninger og de for vakuumrør er at effektive vakuumrør har deprimerte kollektorer for å resirkulere kinetisk energi til elektronene, så den sekundære viklingen av strømforsyningen trenger opptil 6 kraner, hvorav spiralspenningen trenger presis regulering. Den påfølgende tilførselen av en lineariseringsenhet (som for induktivt utgangsrør ) kan ved komplementær kompensasjon forbedre forsterkningskomprimeringen og andre egenskaper ved TWTA; denne kombinasjonen kalles en linearisert TWTA (LTWTA, "EL-tweet-uh").

Bredbånds TWTA bruker vanligvis en helix TWT og oppnår mindre enn 2,5 kW utgangseffekt. TWTAer som bruker en koblet hulrom TWT kan oppnå 15 kW utgangseffekt, men på bekostning av smalere båndbredde.

Oppfinnelse, utvikling og tidlig bruk

Den originale designen og prototypen til TWT ble utført av Andrei "Andy" Haeff c. 1931 mens han jobbet som doktorgradsstudent ved Kellogg Radiation Laboratory i Caltech. Hans opprinnelige patent, "Enhet for og metode for å kontrollere høyfrekvente strømmer", ble arkivert i 1933 og gitt i 1936.

Oppfinnelsen av TWT tilskrives ofte Rudolf Kompfner i 1942–1943. I tillegg inngav Nils Lindenblad, som jobber ved RCA (Radio Corporation of America) i USA, patent på en enhet i mai 1940 som var bemerkelsesverdig lik Kompfners TWT. Begge disse enhetene var forbedringer i forhold Haeff opprinnelige design som de begge brukes deretter nylig oppfunnet presisjonselektronkanon som kilde for elektronstrålen, og de begge rettet strålen ned sentret av spiralen i stedet for utenfor den. Disse konfigurasjonsendringene resulterte i mye større bølgeforsterkning enn Haeffs design da de stolte på de fysiske prinsippene for hastighetsmodulering og elektronbunking. Kompfner utviklet sin TWT i et britisk radarlaboratorium for admiralitet under andre verdenskrig . Hans første skisse av hans TWT er datert 12. november 1942, og han bygde sin første TWT i begynnelsen av 1943. TWT ble senere foredlet av Kompfner, John R. Pierce og Lester M. Winslow på Bell Labs . Vær oppmerksom på at Kompfners amerikanske patent, gitt i 1953, siterer Haeffs tidligere arbeid.

På 1950 -tallet , etter videreutvikling ved Electron Tube Laboratory ved Hughes Aircraft Company i Culver City, California, begynte TWT -er i produksjon der, og på 1960 -tallet ble TWT -er også produsert av selskaper som English Electric Valve Company , etterfulgt av Ferranti i 1970 -tallet.

Den 10. juli 1962 ble den første kommunikasjonssatellitten, Telstar 1 , skutt opp med en 2 W, 4 GHz RCA-designet TWT-transponder som ble brukt til å overføre RF-signaler til jordstasjoner. Syncom 2 ble vellykket lansert i geosynkron bane 26. juli 1963 med to 2 W, 1850 MHz Hughes-designet TWT-transpondere-en aktiv og en ekstra.

Bruker

TWTAs blir ofte brukt som forsterkere i satellitt- transpondere , hvor inngangssignalet er meget svak og utgangen må være høy effekt.

En TWTA hvis utgang driver en antenne er en type sender . TWTA-sendere brukes mye i radar , spesielt i luftbårne brannkontrollradarsystemer , og i elektroniske krigføring og selvbeskyttelsessystemer. I slike applikasjoner blir det vanligvis innført et kontrollnett mellom TWTs elektronpistol og saktebølgestruktur for å tillate pulserende drift. Kretsen som driver kontrollnettet blir vanligvis referert til som en nettmodulator .

Se også

Referanser

Videre lesning

  • Copeland, Jack; Haeff, Andre A. (september 2015). "Den sanne historien til Traveling Wave Tube".
  • Anderson, Carter M; (November 2015). "Jakten på det ultimate vakuumrøret". IEEE Spektrum; [2]

Eksterne linker