Трубка Саттона — название, данное первому рефлекторному клистрону , разработанному в 1940 году Робертом Саттоном из группы Школы сигналов Бристольского университета . Трубка Саттона была разработана как гетеродин для приемника микроволновых радаров диаметром 10 см. Из-за своей геометрии и большого пространства для дрейфа он страдал от скачков режимов в диапазоне настройки. По этой причине, с конца 1941 года, во многих комплектах она была заменена на Western Electric 707A (также известную как лампа МакНелли, по названию ее разработчика).
Рефлекторный клистрон — это тип вакуумной трубки, используемой для генерации микроволн . Это маломощное устройство, используемое в основном для двух целей: одна — обеспечить перестраиваемый маломощный источник частоты для гетеродинов в цепях приемника, а другая, с небольшими модификациями, — в качестве переключателя, который может включать и выключать другой микроволновый источник. Второе использование, иногда известное как мягкая трубка Саттона или румбатронный переключатель , было ключевым компонентом в разработке микроволнового радара в Британии во время Второй мировой войны . Микроволновые переключатели всех конструкций, включая эти, более известны как трубки T/R или ячейки T/R .
Трубка Саттона названа в честь одного из ее изобретателей, Роберта Саттона, эксперта в области конструкции электронных ламп. Оригинальная конструкция клистрона была разработана в конце 1930-х годов в США, и Саттону было поручено разработать настраиваемую версию. Первые модели он разработал в конце 1940 года, работая в Адмиралтейском заводе сигналов и радиолокации . Трубки Саттона широко использовались в различных формах во время Второй мировой войны и на протяжении 1960-х годов. С тех пор их роль взяли на себя твердотельные устройства, такие как диод Ганна , которые начали появляться в 1970-х годах. «Румбатрон» относится к конструкции резонансной полости, которая была частью многих клистронов, и относится к румбе из-за танцевального движения электронов.
Клистроны разделяют основную концепцию, согласно которой микроволновое излучение генерируется путем постепенного ускорения, а затем замедления электронов в открытом пространстве, окруженном резонансной полостью. Самые простые для понимания конструкции клистрона имеют две полости.
Первый резонатор подключен к источнику сигнала и предназначен для резонанса на желаемой частоте, заполняя его внутреннюю часть колеблющимся электрическим полем. Размеры полости зависят от длины волны, большинство из них представляют собой плоские цилиндры по форме напоминающие хоккейную шайбу разных размеров. Через середину, в центре «шайбы», просверливается отверстие. [1]
Поток электронов, выпущенный из электронной пушки , проходит через отверстие, и изменяющееся поле заставляет их либо ускоряться, либо замедляться в зависимости от величины быстро меняющегося поля в момент прохождения. За пределами полости ускоренные электроны догоняют замедленные, заставляя электроны группироваться в потоке. Это заставляет поток воссоздавать структуру исходного сигнала в плотности электронов. Эта область трубки должна быть достаточно длинной, чтобы дать время для завершения этого процесса. [2]
Затем электроны проходят через вторую полость, аналогичную первой. По мере прохождения сгустки вызывают в резонаторе индуцирование переменного электрического поля, воссоздающего исходный сигнал, но с гораздо более высоким током. Точка отвода на этом резонаторе обеспечивает усиленный микроволновый выход. [2]
Появление резонаторного магнетрона произвело революцию в конструкции радаров, генерируя большое количество энергии из компактного и простого в сборке устройства. Однако прежде чем его можно было использовать, также потребовалось несколько дополнительных разработок.
Среди них был подходящий гетеродин с частотой примерно на 45 МГц, отличающийся от сигнала передатчика, который питал секцию промежуточной частоты цепей приемника. [3] Проблема заключалась в том, что частота магнетрона дрейфовала по мере того, как он нагревался и охлаждался, настолько, что требовался какой-то настраиваемый источник микроволнового излучения, частоту которого можно было регулировать в соответствии с ним. Второй магнетрон не будет работать, они не будут двигаться синхронно. [4]
Поскольку схема приемника требует очень небольшой выходной мощности, естественным выбором был клистрон, впервые представленный всего двумя годами ранее. Саттона, известного эксперта по конструкции ламп, спросили, может ли он предоставить версию, которую можно было бы настроить в том же диапазоне, что и дрейф магнетрона. [5] Первоначальная модель, доступная в 1940 году, допускала настройку с некоторыми усилиями. Хотя это работало, оно не подходило для операционной системы. Саттон и Томпсон продолжили работу над этой проблемой и предложили решение в октябре 1940 года. [3] Томпсон назвал ее в честь Саттона, а Саттон назвал ее трубкой Томпсона. [6] Первое застряло.
Их достижение заключалось в использовании единственного резонатора и умной физической конструкции, обеспечивающей тот же эффект, что и две полости. Он сделал это, поместив второй электрод в дальний конец трубки, «отражатель» или «отпугиватель», который заставил электроны развернуться и начать течь обратно к пушке, подобно трубке Баркгаузена-Курца . Изменяя напряжение отражателя относительно пушки, скорость электронов, когда они достигают полости во второй раз, можно было регулировать в определенных пределах. Частота была функцией скорости электронов, обеспечивая функцию настройки. [5]
Эта модификация фактически сложила клистрон пополам, при этом большая часть «действия» происходила в центре трубки, где располагались вход и выход из единственной полости. При этом внутри трубки находилась только внутренняя часть полости, внешняя поверхность представляла собой металлическую оболочку, обернутую вокруг трубки. Более значительные изменения частоты можно было внести за счет замены внешней оболочки, что также обеспечивало удобное место для установки. [5]
К сожалению, системе требовалось два высоковольтных источника питания: один для начального разгона в пушке, а второй между пушкой и отражателем. И из-за особенностей работы системы мощность обычно ограничивалась милливаттами. [ нужна цитата ]
Одним из преимуществ использования микроволн для радаров является то, что размер антенны зависит от длины волны сигнала, а для более коротких волн требуются антенны гораздо меньшего размера. Это было жизненно важно для бортовых радиолокационных систем. Немецким самолетам, использующим более длинные волны, требовались огромные антенны, которые замедляли самолет от 25 до 50 км/ч из-за сопротивления. [7] Для микроволновых волн требовались антенны длиной всего несколько сантиметров, и они легко помещались в носовой части самолета.
Это преимущество нивелировалось отсутствием системы переключения, позволяющей одной антенне действовать как передатчик, так и приемник. Это не всегда серьезная проблема; Система Chain Home обходилась двумя наборами антенн, как и ранние бортовые радары, такие как Mk. IV . В 1940 году Бернард Ловелл разработал решение для микроволнового радара, разместив два набора диполей перед общей параболической тарелкой и поместив между ними диск из металлической фольги. Однако это не принесло большого успеха, и кристаллические диоды , используемые в качестве детекторов, часто перегорали, когда сигнал проходил через диск или вокруг него. [8] Также использовалось решение с использованием двух искровых разрядников, но оно было далеко не идеальным. [9]
Лучшее решение было предложено Артуром Х. Куком из лаборатории Кларендона , а разработку производства взял на себя Х.В.Б. Скиннер вместе с А.Г. Уордом и А.Т. Старром из Научно-исследовательского института телекоммуникаций . [9] Они взяли трубку Саттона и отсоединили электронную пушку и отражатель, оставив только полость. Он был заполнен разбавленным газом, первоначально гелием или водородом [10] , но в конечном итоге остановился на небольшом количестве водяного пара и аргона. [11]
Когда сигнал передачи был виден на входе, газ быстро ионизировался (чему способствовала катушка нагревателя или радий). [12] Свободные электроны в плазме представляли собой почти идеальный источник импеданса, блокирующий поступление сигнала на выход. Как только передача прекратилась, газ деионизировался, и импеданс очень быстро исчез. [10] Крошечные эхо, вызванные отражениями от цели, пришедшие на микросекунды позже, были слишком малы, чтобы вызвать ионизацию, и позволили сигналу достичь выхода. [3]
Пригодная к использованию мягкая трубка Саттона прибыла в марте 1941 года и была запущена в производство как CV43. [3] Впервые он был использован в составе AI Mk. VII радар , первый серийный микроволновый радар для самолетов. [10] С тех пор система широко использовалась, появляясь почти во всех бортовых микроволновых радарах, включая радар H2S и радар ASV Mark III . [10]
Послевоенная разведка показала, что немцы были сбиты с толку назначением мягкой трубки Саттона. В их руки попало несколько экземпляров, в частности, Rotterdam Gerät , H2S, который был захвачен в довольно полной форме в феврале 1943 года. Интервью с немецкими инженерами-радарами после войны показали, что они не могли понять назначение лампы без двигателя. [9]
Мягкая трубка Саттона использовалась в схеме, известной как «переключатель T/R» (или во многих вариациях на эту тему). Для этой цели использовались другие искровые трубки в конструкции, известной как «ветвевой дуплексер ». Он состоял из двух коротких волноводов длиной около 1/4 длины волны, оба из которых включались при поступлении сигнала. Из-за геометрии расположения два пути привели к отражению сигнала. [13] Трубки Саттона использовались в более простой конструкции, известной как «шунтовая разветвляющаяся цепь», которая имела Т-образную форму с передатчиком и антенной, расположенными на обоих концах горизонтальной части Т, а приемник - на конце Т-образной части. вертикальная часть. Разместив трубку Саттона в правильном месте вдоль волновода, ведущего к приемнику, можно добиться того же эффекта, что и в ответвительном дуплексере. [14] [15]