Vandrende bølgelampe

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. juli 2017; checks kræver 12 redigeringer .

En rejsebølgelampe (TWT) er en elektrovakuumenhed, hvor samspillet mellem en vandrende elektromagnetisk bølge og en elektronstrøm, der bevæger sig i samme retning, bruges til at generere og/eller forstærke elektromagnetiske mikrobølgesvingninger (i modsætning til en bagudbølgelampe (WOW) ) .

Introduktion

Den omrejsende bølgelampe blev først skabt af Rudolf Kompfner i 1943 (ifølge andre kilder i 1944).

Vandrende bølgerør er opdelt i to klasser: TWT type O og TWT type M.

I type O-enheder omdannes elektronernes kinetiske energi til energien i et mikrobølgefelt som et resultat af elektrondeceleration af dette felt. Magnetfeltet i sådanne lamper er rettet langs stråleudbredelsesretningen og tjener kun til at fokusere sidstnævnte.

I type M-enheder går den potentielle energi af elektroner, der skifter som følge af gentagen deceleration og acceleration fra katoden til anoden , over i mikrobølgefeltets energi . Den gennemsnitlige kinetiske energi forbliver konstant. Det magnetiske felt i sådanne enheder er rettet vinkelret på strålens udbredelsesretning.

TWT type O

Enhed og funktionsprincip

Funktionsprincippet for vandrende bølgelamper (TWT) er baseret på mekanismen for langsigtet interaktion af elektronstrømmen med feltet af en rejsende elektromagnetisk bølge. Figuren viser skematisk TWT-enheden. Elektronkanonen genererer en elektronstråle med et bestemt tværsnit og intensitet. Elektronhastigheden bestemmes af accelerationsspændingen. Ved hjælp af fokuseringssystemet , som skaber et langsgående magnetfelt, tilvejebringes det nødvendige stråletværsnit langs hele vejen langs bremsesystemet. I TWT'en er elektronkanonen, det spiralformede slow-wave-system og opsamleren placeret i en glas-til-metal- eller metalbeholder, mens fokuseringssolenoiden er placeret udenfor. Spiralen er fastgjort mellem dielektriske stænger, som skal have lave mikrobølgetab og god varmeledningsevne. Det sidste krav er vigtigt for lamper med middel og høj udgangseffekt, når spiralen varmes op på grund af aflejring af elektroner, og denne varme skal fjernes, så spiralen ikke brænder ud.

Ved indgangen og udgangen af bremsesystemet er der specielle enheder til at matche det med transmissionslinjerne. Sidstnævnte kan enten være bølgeleder eller koaksial. Indgangen modtager et mikrobølgesignal, som forstærkes i enheden og transmitteres fra udgangen til belastningen.

Det er svært at opnå et godt match over hele lampens forstærkningsbånd. Derfor er der fare for intern feedback på grund af refleksionen af en elektromagnetisk bølge i enderne af bremsesystemet, mens TWT'en kan ophøre med at udføre sine funktioner som forstærker. For at eliminere selv-excitation indføres en absorber, som kan laves i form af en absorberende keramisk stang eller i form af absorberende film.

Parametre og karakteristika

Gain parameter

Forstærkningsparameteren er en dimensionsløs faktor:

$C={\sqrt[ {3}]{{\frac {R_{{CB}}I_{0}}{4U_{0}}}}}$ , hvor er koblingsmodstanden, er katodestrømmen og er potentialet for den sidste anode af TWT-elektronkanonen. $R_{{CB}}$ $I_0$ $U_{0}$

C - værdier er ~0,1-0,01.

Gain

TWT - forstærkningen i lineær tilstand er direkte proportional med C -parameteren .

Den virkelig opnåelige værdi af forstærkningen af medium og høj effekt TWT er 25-40 dB , det vil sige noget lavere end for multicavity klystroner (60 dB). I laveffekt TWT'er kan forstærkningen nå 60 dB.

Frekvensområde

En særlig værdifuld egenskab ved TWT'er er deres bredbånd. Forstærkningen af TWT ved en konstant accelererende spænding kan forblive næsten uændret i et bredt frekvensbånd - omkring 20 - 50% af den gennemsnitlige frekvens. I denne henseende er TWT'er væsentligt bedre end forstærkende klystroner, som kan give meget høj forstærkning, men har et meget smallere frekvensbånd.

Effektudgang

Afhængigt af formålet produceres TWT'er for udgangseffekter fra brøkdele af en mW (input laveffekt og lavstøj TWT'er i mikrobølgeforstærkere) til titusinder af kW (output højeffekt TWT'er i mikrobølgesendere) i kontinuerlig tilstand og op til flere MW i pulserende tilstand.

I TWT'er med lav og medium effekt anvendes spiralformede slow-wave systemer, og i højeffekt TWT'er bruges kæder af koblede resonatorer.

Effektivitet

Elektroner, der flyver gennem bremsesystemet, giver en del af deres kinetiske energi til mikrobølgefeltet, hvilket fører til et fald i elektronernes hastighed. Men dette overtræder betingelsen om fasetilpasning Ve ≅ Vf . Dette indebærer hovedbegrænsningen af effektiviteten af TWT, som er forbundet med umuligheden af at overføre hele den kinetiske energi af elektroner til mikrobølgefeltet: elektronbundter forskydes fra området af det decelererende felt til området for det accelererende.

Den nedre grænse for elektronhastigheden er bestemt af fasehastigheden af den langsomme bølge. Derfor bør effektiviteten være jo større, jo større er overskuddet af den indledende elektronhastighed i forhold til fasehastigheden af bølgen i det modererende system. Men med en stigning i desynkronisme forringes grupperingen ved inputsektionen af slow-wave-systemet, og forstærkningen falder kraftigt. Kravene til maksimal effektivitet og høj gevinst i TWT viser sig således at være modstridende.

Den reelle værdi af effektiviteten af LBVO er 30-40%.

Ansøgning

Laveffekt TWT'er bruges i indgangsforstærkere, medium effekt i mellemforstærkere og høj effekt i udgangseffektforstærkere af mikrobølgeoscillationer.

Type M TWT

Forskel fra TWT type O

I TWT type M er der i modsætning til TWT to væsentlige funktioner:

Den mest gunstige vekselvirkning af elektroner med en vandrende bølge og overførsel af energi fra elektroner til feltet opstår, når den gennemsnitlige elektronhastighed og bølgens fasehastighed er nøjagtigt ens ( V e = V f ). Tværtimod, for at overføre energi fra elektroner til feltet i TWT type O, kræves det, at elektronerne bevæger sig lidt hurtigere.
i TWT'en giver elektronerne kun feltet den overskydende kinetiske energi svarende til forskellen i elektronernes og bølgens hastigheder. Effektiviteten er begrænset af den tilladte forskel mellem disse hastigheder. Den energi, der overføres til feltet, tages fra den accelererende spændingskilden . I LBVM ændres elektronernes kinetiske energi ikke, og elektronernes potentielle energi overføres til feltet. $U_{0}$

Enhed og funktionsprincip

Lampen har to hoveddele: indsprøjtningsanordningen og interaktionsrummet.

Injektionsanordningen, som består af en opvarmet katode og en kontrolelektrode, sørger for skabelsen af et båndelektronflow og dets indføring i interaktionsrummet.

Interaktionsrummet, der består af en bølgelederindgang , en absorber, et anode slow-wave system, en bølgeleder output, en kollektor og en kold katode, sikrer interaktionen af elektroner med mikrobølgefeltet. For at skabe en sådan interaktion er det nødvendigt at opfylde betingelsen

$V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}$ , hvor er den indledende strømningshastighed ved indgangen til interaktionsrummet, er translationshastigheden i krydsede elektriske ( ) og magnetiske felter ( ). $V_{0}$ ${\frac {E_{0}}{B}}$ $E_{0}$ $B$

Når denne betingelse er opfyldt, bevæger elektronerne sig i fravær af et mikrobølgefelt i en lige linje mod opsamleren. Da den indledende strømningshastighed er bestemt af forholdet

$V_{0}={\frac {E_{{kontrol}}}{B}}$ , så reduceres ovenstående betingelse til

$E_{0}=2E_{{kontrol}}$

Parametrene for enheden er valgt på en sådan måde, at når der vises et mikrobølgesignal ved indgangen til slow-wave systemet ved en af dets rumlige harmoniske, tilstanden for fasetilpasning af enheder af typen M ( V 0 = V f ) er opfyldt. I dette tilfælde vil der i de decelererende halvcyklusser af det elektriske felt af denne harmoniske forekomme en stigning i mikrobølgesignalets energi på grund af et fald i elektronernes potentielle energi. Det forstærkede mikrobølgesignal ankommer til udgangen af bremsesystemet, og elektronerne sætter sig på opsamleren.

Type M vandrende bølgerør, såvel som type O vandrende bølgerør, er en bredbåndsforstærker, og derfor er selv-excitering mulig i den på grund af refleksionen af det forstærkede signal fra udgangen af det retarderende system. En absorber bruges til at forhindre selvekscitering.

Parametre og karakteristika

Gain

Et karakteristisk billede af forstærkningens afhængighed af indgangseffekten er vist i figuren. Ved lave niveauer af inputsignalet stiger amplituden af oscillationer ved udgangen af TWT'en og værdien af forstærkningen i direkte proportion med værdien af inputsignalet. Bindingen observeres, indtil elektronerne begynder at falde i stedet for kollektoren til anoden for enden af bremsesystemet. I dette tilfælde aftager væksten af udgangseffekten, og forstærkningen af TWT falder.

Forstærkningen i reelle M-type vandrende bølgerør når 40 dB eller mere.

Frekvensområde

Båndbredden af driftsfrekvenser i forstærkere baseret på TWT når 30% af den gennemsnitlige driftsfrekvens og bestemmes af spredningskarakteristikken for slow-wave-systemet.

Effektudgang

Udgangseffekten af LBVM i den kontinuerlige tilstand når flere kilowatt , i den pulserede tilstand - flere megawatt.

Effektivitet

Effektiviteten af forstærkeren på TWT kan estimeres ud fra det faktum, at den maksimale potentielle energi, som en elektron kan overføre til mikrobølgefeltet , $E_{{pot}}=eU_{0}$

Den kinetiske energi af en elektron, der ikke er givet til mikrobølgefeltet:

$E_{{kin}}={\frac {mv_{e}^{2}}{2}}={\frac {mE_{0}^{2}/B^{2}}{2}}$

I rigtige enheder overstiger dens effektivitet ikke 70%.

Oprettelse af TWT i USSR

Den første indenlandske TWT-type UV-1 blev oprettet ved NII-5 af det vigtigste artilleridirektorat i USSRs forsvarsministerium (nu OAO Moskva Research Institute of Instrument Automation (MNIIPA) ). Den direkte udfører af arbejde på UV-1 var A. V. Ievsky ; M. F. Stelmakh og M. A. Bruk deltog aktivt . UV-1-lampen og dens efterfølgende modifikationer, som fungerede i en forstærkende tilstand, blev kendetegnet ved en lav støjfaktor, hvilket på det tidspunkt var en enestående præstation. Dette blev opnået ved udviklingen af en speciel støjsvag elektronpistol . Før det brugte man i alle TWT'er de såkaldte "Pierce guns", som havde et højt niveau af deres egen støj. Anoden på denne pistol var forbundet med en helix, som ikke tillod separat kontrol af spændingen på anoden, som støjen var stærkt afhængig af, og spændingen på helixen, som var valgt ud fra behovet for at opfylde betingelserne for synkronisme mellem den langsomme rumladningsbølge i elektronstrålen og feltbølgen i helixen. MA Bruk udviklede specielle oxidkatoder, som havde en høj grad af ensartethed af elektronemission fra katodeoverfladen. En anden anode blev indført i pistolen, hvilket gjorde det muligt at udføre separat spændingsjustering. TWT-støjfaktoren blev reduceret med næsten en størrelsesorden.

Moderne TWT-producenter

Den Europæiske Union -Thalesgruppen [2]
USA - L3HARRIS Electron Devices [3]
USA - CPI International [4]
Storbritannien -Teledyne e2v [5]
Storbritannien - TMD Technologies[6]
Israel -Israel Aerospace Industries
Japan - Net Comsec Co Ltd
Indien - Grow Controls
Rusland -JSC "Pluton"
Rusland -NPP "Istok"
Rusland -NPP "Almaz"
Kina - Beijing BOE Vacuum Technology Co.,Ltd[7]

Se også

Noter

↑ Rovensky G. V. Myakinkov Yuri Pavlovich - hovedudvikler af TWT Archival kopi dateret 10. august 2013 på Wayback Machine . Fryazino, 2013, 114 s. ISBN 978-5-9901378-4-4 .
↑ Vandrende bølgerør . Thales Group . Hentet 21. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 14. april 2021.
↑ Rejsende bølgerør . L3Harris™ Hurtigt. fremad . Hentet 21. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 28. november 2020.
↑ Outdoor Travelling Wave Tube Amplifiers (TWTA'er) - Satcom og medicinske produkter: Satcom-produkter, kommunikations- og kraftindustrier (CPI ) . C.P.I. International . Hentet 21. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 28. oktober 2020.
↑ Coupled-Cavity Travelling Wave Tubes (CCTWT'er ) . e2v . Hentet 21. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 26. september 2020.
↑ Alex. Mikrobølgerør . _ TMD Technologies (7. marts 2016). Hentet 21. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 28. oktober 2020.
↑ Hovedside . _ Beijing BOE Vacuum Technology Co.,Ltd . Hentet 23. oktober 2020. Arkiveret fra originalen 28. juli 2020.

Litteratur

Trubetskov D.I., Khramov A.E. Foredrag om mikrobølgeelektronik for fysikere. - M. : Fizmatlit, 2003. - T. 1. - 496 s.
Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. Generering af svingninger og dannelse af radiosignaler. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .
Trubetskov D.I., Vdovina G.M. Lampe med en rejsebølge (historie i personer og skæbner) // UFN. - 2020. - T. 190 . — S. 543–556 . - doi : 10.3367/UFNr.2019.12.038707 .

Vakuum elektroniske enheder (undtagen katodestråle )
Generator og forstærker lamper	Triode tetrode stråle tetrode Pentode hexod heptode Pentagrid okt Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klystron Vandrende bølgelampe Backwave lampe Gyrotron
Andet	Elektrovakuum diode Kenotron røntgenrør Vakuum fluorescerende indikator Magisk øje Vakuum fotocelle billedforstærkerrør Fotomultiplikator Sekundær elektronmultiplikator Selectron mekatron
Typer af ydeevne	Oktal Finger Stang Nuvistor agern Mayachkovaya Metal-keramik Kombineret
Strukturelle elementer	Anode Katode direkte glød Indirekte glød feltemission Fotokatode Dinod Varmeapparat Gitter Manager Antidynatron Afskærmning katodisk Getter sokkel