Генератор обратной волны

Миниатюрная лампа генератора обратной волны О-типа, произведенная компанией Varian в 1956 году. Она могла перестраиваться по напряжению в диапазоне 8,2–12,4 ГГц и требовала напряжения питания 600 В.

Генератор обратной волны в Стокгольмском университете, работающий в терагерцовом диапазоне.

Генератор обратной волны ( BWO ), также называемый карцинотроном или лампой обратной волны , представляет собой вакуумную лампу , которая используется для генерации микроволн до терагерцового диапазона. Принадлежащий к семейству ламп бегущей волны , это генератор с широким диапазоном электронной настройки.

Электронная пушка генерирует электронный луч , который взаимодействует с замедляющей структурой. Он поддерживает колебания , распространяя бегущую волну назад против луча. Групповая скорость генерируемой электромагнитной волны направлена ​​противоположно направлению движения электронов. Выходная мощность выводится рядом с электронной пушкой.

Он имеет два основных подтипа: М-тип ( M-BWO ), самый мощный, и О-тип ( O-BWO ). Выходная мощность О-типа обычно находится в диапазоне от 1 мВт на частоте 1000 ГГц до 50 мВт на частоте 200 ГГц . Карцинотроны используются как мощные и стабильные источники микроволнового излучения. Благодаря хорошему качеству волнового фронта , который они создают (см. ниже), они находят применение в качестве осветителей при терагерцовой визуализации.

Генераторы обратной волны были продемонстрированы в 1951 году: М-типа Бернардом Эпштейном ^[1] и О-типа Рудольфом Компфнером . ЛОВ М-типа представляет собой управляемую напряжением нерезонансную экстраполяцию магнетронного взаимодействия. Оба типа настраиваются в широком диапазоне частот путем изменения ускоряющего напряжения . Их можно перемещать по диапазону достаточно быстро, чтобы создавалось впечатление, что они излучают по всему диапазону одновременно, что делает их пригодными для эффективного радиолокационного подавления , быстро настраиваясь на частоту радара. Карцинотроны позволили бортовым постановщикам радиолокационных помех быть высокоэффективными. Однако радары с быстрой перестройкой частоты могут переключать частоты достаточно быстро, чтобы заставить глушитель использовать заградительные помехи , ослабляя его выходную мощность в широком диапазоне и значительно ухудшая его эффективность.

Карцинотроны используются в исследовательских, гражданских и военных целях. Например, чехословацкие пассивные сенсорные системы обнаружения ПВО «Копак» и «Рамона» использовали в своих приемных системах карцинотроны.

Основная концепция

Концептуальная диаграмма . Сигналы передаются от входа к выходу, как описано в тексте на изображении. ^[2]

Все лампы бегущей волны работают по одному и тому же принципу и различаются прежде всего деталями конструкции. Эта концепция зависит от постоянного потока электронов из электронной пушки , движущихся по центру трубки (см. соседнюю концептуальную диаграмму ). Электронный луч окружает своего рода сигнал радиочастотного источника; в случае традиционного клистрона это резонансная полость, питаемая внешним сигналом, тогда как в более современных устройствах имеется ряд таких полостей или спиральная металлическая проволока, питаемая тем же сигналом. ^[2]

Когда электроны движутся по трубке, они взаимодействуют с радиочастотным сигналом. Электроны притягиваются к областям с максимальным положительным смещением и отталкиваются от отрицательных областей. Это заставляет электроны группироваться, поскольку они отталкиваются или притягиваются по длине трубки. Этот процесс известен как модуляция скорости . Этот процесс заставляет электронный луч принимать ту же общую структуру, что и исходный сигнал; плотность электронов в пучке соответствует относительной амплитуде радиочастотного сигнала в индукционной системе. Ток электронов зависит от деталей пушки и обычно на порядки превышает мощность входного радиочастотного сигнала. В результате получается сигнал электронного луча, который представляет собой усиленную версию исходного радиочастотного сигнала. ^[2]

Когда электроны движутся, они индуцируют магнитное поле в любом близлежащем проводнике. Это позволяет извлечь усиленный сигнал. В таких системах, как магнетрон или клистрон, это достигается за счет еще одного резонансного резонатора. В спиральных конструкциях этот процесс происходит по всей длине трубки, усиливая исходный сигнал в спиральном проводнике. «Проблема» традиционных конструкций заключается в том, что они имеют относительно узкую полосу пропускания; конструкции, основанные на резонаторах, будут работать с сигналами в пределах 10% или 20% от их расчетной, поскольку это физически встроено в конструкцию резонатора, в то время как спиральные конструкции имеют гораздо более широкую полосу пропускания , возможно, 100% по обе стороны от проектного пика. ^[3]

БВО

BWO построена по принципу, аналогичному спиральной ЛБВ. Однако вместо того, чтобы радиочастотный сигнал распространялся в том же (или аналогичном) направлении, что и электронный луч, исходный сигнал распространяется под прямым углом к ​​лучу. Обычно это достигается путем сверления отверстия в прямоугольном волноводе и пропускания луча через это отверстие. Затем волновод делает два поворота под прямым углом, образуя С-образную форму и снова пересекая луч. Эта базовая схема повторяется по всей длине трубки, поэтому волновод несколько раз пересекает луч, образуя серию S-образных форм. ^[2]

Исходный радиочастотный сигнал поступает из дальнего конца ЛБВ, где будет извлекаться энергия. Воздействие сигнала на ближний луч вызывает тот же эффект модуляции скорости, но из-за направления ВЧ-сигнала и особенностей волновода эта модуляция распространяется вдоль луча назад, а не вперед. Это распространение, медленная волна , достигает следующего отверстия в свернутом волноводе так же, как это делает та же фаза радиочастотного сигнала. Это вызывает усиление, как и традиционная ЛБВ. ^[2]

В традиционной ЛБВ скорость распространения сигнала в индукционной системе должна быть аналогична скорости распространения электронов в пучке. Это необходимо для того, чтобы фаза сигнала совпадала с фазой сгруппированных электронов, когда они проходят через индукторы. Это накладывает ограничения на выбор длин волн, которые может усиливать устройство, в зависимости от физической конструкции проводов или резонансных камер. ^[2]

В ЛОВ это не так, где электроны передают сигнал под прямым углом и их скорость распространения не зависит от скорости входного сигнала. Сложный змеевидный волновод накладывает строгие ограничения на полосу пропускания входного сигнала, поэтому внутри волновода формируется стоячая волна. Но скорость электронов ограничена только допустимыми напряжениями, приложенными к электронной пушке, которые можно легко и быстро изменить. Таким образом, BWO принимает одну входную частоту и производит широкий диапазон выходных частот. ^[2]

Карсинотрон

На этом изображении показано влияние четырех самолетов с карцинотронами на типичный импульсный радар 1950-х годов. Самолеты расположены примерно в точках 10:00 и 11:30. Каждый раз, когда главный или боковые лепестки антенны проходят мимо глушителя, дисплей заполняется шумом, что делает самолет невидимым.

Первоначально устройству было присвоено название «карцинотрон», в честь греческого названия раков , которые плавают задом наперед. ^[4] Просто изменяя напряжение питания, устройство могло создавать любую необходимую частоту в диапазоне, который был намного больше, чем мог обеспечить любой существующий микроволновый усилитель - магнетрон с резонатором работал на одной частоте, определяемой физическими размерами их резонаторов, и хотя клистрон усиливал внешний сигнал, он делал это эффективно только в небольшом диапазоне частот. ^[2]

Раньше глушение радара было сложной и трудоемкой операцией. Операторам приходилось прослушивать потенциальные используемые частоты, настраивать на этой частоте один из группы усилителей, а затем начинать вещание. Когда радиолокационная станция поймет, что происходит, они поменяют свои частоты, и процесс начнется заново. Напротив, карцинотрон мог проходить через все возможные частоты так быстро, что казалось, что это постоянный сигнал на всех частотах одновременно. Типичные конструкции могут генерировать сотни или даже тысячи ватт, поэтому на любой частоте радиолокационная станция может принимать мощность в несколько ватт. Однако на большом расстоянии количество энергии исходного радиолокационного сигнала, достигающего самолета, составляет не более нескольких ватт, поэтому карцинотрон может их подавить. ^[2]

Система была настолько мощной, что было обнаружено, что карцинотрон, работающий на самолете, начнет действовать еще до того, как он поднимется над радиолокационным горизонтом . Проходя по частотам, он транслировался на рабочей частоте радара в фактически случайные моменты времени, заполняя дисплей случайными точками каждый раз, когда антенна была направлена ​​рядом с ним, возможно, на 3 градуса по обе стороны от цели. Точек было так много, что дисплей в этой области просто заполнялся белым шумом. По мере приближения к станции сигнал также начинал появляться в боковых лепестках антенны , создавая дополнительные области, заглушенные шумом. На близком расстоянии, порядка 100 миль (160 км), весь дисплей радара будет полностью заполнен шумом, что сделает его бесполезным. ^[2]

Эта концепция была настолько мощной в качестве глушителя , что возникли серьезные опасения, что наземные радары устарели. Преимущество бортовых радаров заключалось в том, что они могли приближаться к самолету, несущему глушитель, и, в конечном итоге, огромная мощность их передатчика «прожигала» помехи. Однако для попадания в зону действия перехватчики той эпохи полагались на наземное направление , используя наземные радары. Это представляло огромную угрозу для операций ПВО. ^[5]

Для наземных радаров угроза в конечном итоге была решена двумя способами. Во-первых, радары были модернизированы, чтобы работать на многих различных частотах и ​​случайным образом переключаться между ними от импульса к импульсу. Эта концепция теперь известна как перестройка частоты . Некоторые из этих частот никогда не использовались в мирное время и были строго засекречены с надеждой, что они не будут известны глушилкам в военное время. Карсинотрон по-прежнему мог охватывать весь диапазон частот, но тогда он будет вести вещание на той же частоте, что и радар, только в случайное время, что снизит его эффективность. Другое решение заключалось в добавлении пассивных приемников, которые триангулировали передачи карсинотрона, что позволяло наземным станциям выдавать точную информацию о местонахождении источника помех и позволяло их атаковать. ^[5]

Медленноволновая структура

(а) Прямая фундаментальная пространственная гармоника (n=0), (б) Обратная фундаментальная гармоника

Необходимые замедляющие структуры должны поддерживать радиочастотное (РЧ) электрическое поле с продольной составляющей; структуры являются периодическими в направлении луча и ведут себя как микроволновые фильтры с полосами пропускания и задерживания. Из-за периодичности геометрии поля одинаковы от ячейки к ячейке, за исключением постоянного фазового сдвига Φ. Этот фазовый сдвиг, чисто вещественное число в полосе пропускания структуры без потерь, меняется в зависимости от частоты. Согласно теореме Флоке (см. Теорию Флоке ), РЧ электрическое поле E(z,t) может быть описано на угловой частоте ω суммой бесконечных «пространственных или пространственных гармоник» _En

${\displaystyle E(z,t)=\sum _{n=-\infty }^{+\infty }{E_{n}}e^{j({\omega }t-{k_{n}}z)}}$

где волновое число или постоянная распространения k _n каждой гармоники выражается как

k _n = (Φ + 2nπ)/p (-π < Φ < +π)

z — направление распространения, p — шаг цепи, а n — целое число.

Два примера характеристик замедляющей цепи показаны на диаграмме ω-k или диаграмме Бриллюэна :

• на рисунке (а) основная n=0 является прямой пространственной гармоникой ( фазовая скорость v _n =ω/k _n имеет тот же знак, что и групповая скорость v _g =dω/dk _n ), условие синхронизма для обратного взаимодействия в точке B пересечение линии наклона v _e - скорости луча - с первой обратной (n = -1) пространственной гармоникой,
• на рисунке (б) фундаментальное значение (n=0) является обратным

Периодическая структура может поддерживать как прямые, так и обратные пространственные гармоники, которые не являются модами поля, и не могут существовать независимо, даже если луч может быть связан только с одной из них.

Поскольку величина пространственных гармоник быстро уменьшается при больших значениях n, взаимодействие может быть существенным только с основной или первой пространственной гармоникой.

БВО М-типа

Схема M-BWO

Карсинотрон М-типа , или генератор обратной волны М-типа , использует скрещенное статическое электрическое поле E и магнитное поле B, аналогично магнетрону , для фокусировки луча электронного листа, дрейфующего перпендикулярно E и B, по замедляющей цепи. со скоростью E/B. Сильное взаимодействие возникает, когда фазовая скорость одной пространственной гармоники волны равна скорости электрона. Во взаимодействии участвуют как E _z, так и E _y компоненты РЧ поля (E _y параллельно статическому E полю). Электроны, находящиеся в замедляющемся электрическом поле замедленной волны E _{z , теряют} потенциальную энергию , имеющуюся у них в статическом электрическом поле E, и достигают цепи. Единственный электрод более отрицателен, чем катод, чтобы избежать сбора электронов, набравших энергию при взаимодействии с медленноволновой пространственной гармоникой.

БВО О-типа

Карцинотрон О-типа , или генератор обратной волны О-типа , использует электронный луч, сфокусированный в продольном направлении магнитным полем, и замедляющую цепь, взаимодействующую с лучом. Коллектор собирает луч на конце трубки.

Спектральная чистота и шум O-BWO

BWO представляет собой перестраиваемый по напряжению генератор, скорость настройки напряжения которого напрямую связана с характеристиками распространения в цепи. Колебания начинаются с частоты, при которой волна, распространяющаяся по контуру, синхронна с медленной волной объемного заряда луча. По своей сути BWO более чувствителен, чем другие осцилляторы, к внешним колебаниям. Тем не менее, была продемонстрирована его способность синхронизировать фазу или частоту, что привело к успешной работе в качестве гетеродинного гетеродина.

Стабильность частоты

Частотно-вольтовая чувствительность определяется соотношением

${\displaystyle \Delta }$f/f = 1/2 [1/(1 + |v _Φ /v _g |)] ( V ₀ /V ₀ ) ${\displaystyle \Delta }$

Частота колебаний также чувствительна к току луча (это называется «сдвигом частоты»). Колебания тока на низких частотах обусловлены в основном подачей анодного напряжения, а чувствительность к анодному напряжению определяется выражением

${\displaystyle \Delta }$f/f знак равно 3/4 [ω _q /ω/(1 + |v _Φ /v _g |)] ( V _a /V _a ) ${\displaystyle \Delta }$

Эта чувствительность по сравнению с чувствительностью к катодному напряжению снижается на соотношение ω _q /ω, где ω _q – угловая плазменная частота; это отношение составляет порядка нескольких раз 10 ^-2 .

Шум

Измерения субмиллиметровых ЛОВ (de Graauw et al., 1978) показали, что в этом диапазоне длин волн можно ожидать соотношение сигнал/шум 120 дБ на МГц. При гетеродинном детектировании с использованием ЛОВ в качестве гетеродина этот показатель соответствует шумовой температуре , добавляемой генератором, всего 1000–3000 К.

Примечания

1. Патент Франции 1035379, Бернард Эпштейн, «Устройства бегущей волны с обратным потоком», опубликовано 31 марта 1959 г. 
2. Принципы работы в микроволновой печи. ВМС США. Сентябрь 1998 г. с. 103.
3. Гилмор, AS (2011). Клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны, усилители со скрещенными полями и гиротроны. Артех Хаус. стр. 317–18. ISBN 978-1608071852.
4. Миненна, Дэмиен Ф.Г.; Андре, Фредерик; Элскенс, Ив; Обуан, Жан-Франсуа; Лавочка, Фабрис; Пуэх, Жером; Дювердье, Элиза (16 января 2019 г.). «Лампа бегущей волны в истории телекоммуникаций». Европейский физический журнал H . 44 (1): 1–36. arXiv : 1803.11497 . Бибкод : 2019EPJH...44....1M. дои : 10.1140/epjh/e2018-90023-1.
5. Моррис, Алек (1996). «Система контроля и отчетности Великобритании от конца Второй мировой войны до РОТОРА и далее». В Хантере, Сэнди (ред.). Защищая северное небо . Историческое общество Королевских ВВС. стр. 105–106.

Рекомендации

• Джонсон, HR (1955). Генераторы обратной волны. Труды IRE, 43 (6), 684–697.
• Рамо С., Уиннери-младший, Ван Дузер Т. - Поля и волны в коммуникационной электронике (3-е изд. 1994 г.) John Wiley & Sons
• Канторович Г., Паллуэль П. - Генераторы обратной волны в инфракрасных и миллиметровых волнах, Том 1, Глава. 4, изд. К. Баттона, Academic Press, 1979 г.
• де Граау Т., Андерегг М., Фиттон Б., Боннефой Р., Густинчич Дж.Дж. – 3-й международный турнир. Конф. Субмм. Волны, Гилфордский университет Суррея (1978)
• Преобразование Г., Йеу Т. в «Миллиметровые и субмиллиметровые волны», гл. 4, (1964) Illife Books, Лондон

Внешние ссылки

• Виртуальный музей клапанов Thomson CSF CV6124 (Wayback Machine)

Карсинотрон