stringtranslate.com

Лампа бегущей волны

Вид спиральной ЛБВ в разрезе. (1) Электронная пушка ; (2) ВЧ-вход; (3) Магниты; (4) Аттенюатор; (5) Спиральная катушка; (6) ВЧ-выход; (7) Вакуумная трубка; (8) Коллектор
ЛБВ производства «Росэлектроники» 1980-х годов, используемые в российских спутниках связи «Горизонт»

Лампа бегущей волны ( ЛБВ , произносится как «твит» [1] ) или усилитель на лампе бегущей волны ( ЛБВ , произносится как «твита») — это специализированная вакуумная лампа , которая используется в электронике для усиления радиочастотных (РЧ) сигналов в микроволновом диапазоне. [2] Она была изобретена Андреем Гаеффом около 1933 года, когда он был аспирантом в Калифорнийском технологическом институте , а ее нынешняя форма была изобретена Рудольфом Компфнером в 1942–43 годах. ЛБВ относится к категории «линейных лучевых» ламп, таких как клистрон , в которых радиоволна усиливается путем поглощения мощности из пучка электронов , проходящего по трубке. [2] Хотя существуют различные типы ЛБВ, две основные категории: [2]

Главным преимуществом ЛБВ перед некоторыми другими микроволновыми лампами является ее способность усиливать широкий диапазон частот, т. е. большую полосу пропускания . Полоса пропускания спиральной ЛБВ может достигать двух октав , в то время как полостные версии имеют полосу пропускания 10–20%. [2] [3] Диапазон рабочих частот от 300 МГц до 50 ГГц. [2] [3] Коэффициент усиления мощности лампы составляет порядка 40–70 децибел , [3] а выходная мощность варьируется от нескольких ватт до мегаватт . [2] [3]

ЛБВ широко используются в качестве усилителей мощности и генераторов в радиолокационных системах, передатчиках спутников связи и космических аппаратов , а также в системах радиоэлектронной борьбы . [2]

Схема спиральной ЛБВ

Описание

Базовая ЛБВ

ЛБВ представляет собой удлиненную вакуумную трубку с электронной пушкой (нагретым катодом , испускающим электроны ) на одном конце. Напряжение, приложенное к катоду и аноду, 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.

Вокруг внутренней части трубки, сразу за траекторией луча, обернута спираль из проволоки, как правило, из бескислородной меди . Усиленный радиочастотный сигнал подается в спираль в точке, близкой к эмиттерному концу трубки. Сигнал обычно подается в спираль через волновод или электромагнитную катушку, размещенную на одном конце, образуя односторонний путь сигнала, направленный ответвитель .

Управляя ускоряющим напряжением, скорость электронов, текущих по трубке, устанавливается аналогичной скорости РЧ-сигнала, текущего по спирали. Сигнал в проводе вызывает индукцию магнитного поля в центре спирали, где текут электроны. В зависимости от фазы сигнала электроны будут либо ускоряться, либо замедляться при прохождении витков. Это заставляет электронный луч «сгущаться», что технически известно как «модуляция скорости». Результирующая картина плотности электронов в луче является аналогом исходного РЧ-сигнала.

Поскольку луч проходит спираль по мере своего движения, и этот сигнал изменяется, он вызывает индукцию в спирали, усиливая исходный сигнал. К тому времени, как он достигает другого конца трубки, этот процесс успевает вложить значительную энергию обратно в спираль. Второй направленный ответвитель, расположенный около коллектора, получает усиленную версию входного сигнала с дальнего конца РЧ-цепи. Аттенюаторы, размещенные вдоль РЧ-цепи, не позволяют отраженной волне возвращаться к катоду.

Более мощные спиральные ЛБВ обычно содержат керамику из оксида бериллия в качестве стержня-опоры спирали, а в некоторых случаях и в качестве коллектора электронов для ЛБВ из-за ее особых электрических, механических и термических свойств. [4] [5]

Сравнение

Советская ЛБВ УВ-1008, 1976 г., с волноводным входом и выходом

Существует ряд усилительных ламп ВЧ, которые работают аналогично ЛБВ, известных под общим названием «лампы с модуляцией скорости». Наиболее известным примером является клистрон . Все эти трубки используют один и тот же базовый принцип «группировки» электронов для обеспечения процесса усиления и в значительной степени различаются по тому, какой процесс вызывает модуляцию скорости.

В клистроне электронный луч проходит через отверстие в резонансной полости , которая подключена к источнику радиочастотного сигнала. Сигнал в момент прохождения электронов через отверстие заставляет их ускоряться (или замедляться). Электроны попадают в «дрейфовую трубку», в которой более быстрые электроны обгоняют более медленные, создавая сгустки, после чего электроны проходят через другую резонансную полость, из которой берется выходная мощность. Поскольку процесс сортировки по скорости занимает время, дрейфовая трубка 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 на выходе, что является главным преимуществом конструкции. Более полезно, этот процесс гораздо менее чувствителен к физическому расположению трубки, что позволяет ЛБВ работать в более широком диапазоне частот. ЛБВ, как правило, имеют преимущество, когда низкий уровень шума и изменчивость частоты полезны. [6] [7]

ЛБВ со связанными резонаторами

Спиральные ЛБВ ограничены пиковой мощностью ВЧ из-за тока, протекающего через спиральную проволоку (и, следовательно, толщины). По мере увеличения уровня мощности проволока может перегреться и вызвать деформацию геометрии спирали. Толщина проволоки может быть увеличена для улучшения ситуации, но если проволока слишком толстая, становится невозможным получить требуемый шаг спирали для правильной работы. Обычно спиральные ЛБВ достигают выходной мощности менее 2,5 кВт.

Связанные резонаторы ЛБВ преодолевают этот предел, заменяя спираль серией связанных резонаторов, расположенных аксиально вдоль пучка. Такая структура обеспечивает спиральный волновод , и, следовательно, усиление может происходить посредством модуляции скорости. Спиральные волноводы имеют очень нелинейную дисперсию и, таким образом, являются только узкополосными (но шире, чем клистрон ). Связанные резонаторы ЛБВ могут достигать выходной мощности 60 кВт.

Работа похожа на работу клистрона , за исключением того, что ЛБВ со связанными резонаторами разработаны с затуханием между медленной волновой структурой вместо дрейфовой трубки. Медленноволновая структура обеспечивает ЛБВ широкую полосу пропускания. Лазер на свободных электронах позволяет работать на более высоких частотах.

Усилитель на лампе бегущей волны

ЛБВ, интегрированная с регулируемым источником питания и защитными схемами, называется усилителем на лампе бегущей волны [8] (сокращенно TWTA и часто произносится как «TWEET-uh»). Он используется для получения мощных радиочастотных сигналов. Полоса пропускания широкополосной TWTA может достигать одной октавы , [ необходима ссылка ], хотя существуют и настроенные (узкополосные) версии; рабочие частоты варьируются от 300 МГц до 50 ГГц.

TWTA состоит из лампы бегущей волны, соединенной со своими защитными цепями (как в клистроне ) и регулируемого источника питания ( электронного кондиционера питания), который может поставляться и интегрироваться другим производителем. Основное отличие большинства источников питания от источников для электронных ламп заключается в том, что эффективные электронные лампы имеют подавленные коллекторы для рециркуляции кинетической энергии электронов, поэтому вторичная обмотка источника питания требует до 6 отводов, из которых напряжение спирали требует точной регулировки. Последующее добавление линеаризатора ( как для индуктивной выходной лампы ) может, путем дополнительной компенсации, улучшить компрессию усиления и другие характеристики TWTA; эта комбинация называется линеаризованной TWTA (LTWTA, "EL-tweet-uh").

Широкополосные ЛБВ обычно используют спиральную ЛБВ и достигают выходной мощности менее 2,5 кВт. ЛБВ, 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 ЛБВ были разработаны Андреем "Энди" Хаеффом около 1931 года, когда он работал докторантом в Лаборатории радиации Келлога в Калтехе. Его оригинальный патент "Устройство и метод управления высокочастотными токами" был подан в 1933 году и выдан в 1936 году. [9] [10]

Изобретение ЛБВ часто приписывают Рудольфу Компфнеру в 1942–1943 годах. Кроме того, Нильс Линденблад, работавший в RCA (Radio Corporation of America) в США, также подал патент на устройство в мае 1940 года [11] , которое было удивительно похоже на ЛБВ Компфнера. [12] : 2  Оба этих устройства были усовершенствованиями по сравнению с оригинальной конструкцией Хаеффа, поскольку они оба использовали недавно изобретенную тогда прецизионную электронную пушку в качестве источника электронного пучка, и они оба направляли луч вниз по центру спирали, а не за ее пределы. Эти изменения конфигурации привели к гораздо большему усилению волны, чем конструкция Хаеффа, поскольку они опирались на физические принципы модуляции скорости и группировки электронов. [10] Компфнер разработал свою ЛБВ в радарной лаборатории Британского Адмиралтейства во время Второй мировой войны . [13] Его первый набросок ЛБВ датирован 12 ноября 1942 года, а свою первую ЛБВ он построил в начале 1943 года. [12] : 3  [14] ЛБВ позже была усовершенствована Компфнером, [14] Джоном Р. Пирсом , [15] и Лестером М. Уинслоу в Bell Labs . Обратите внимание, что патент США Компфнера, выданный в 1953 году, ссылается на предыдущую работу Хаффа. [10]

К 1950-м годам, после дальнейшей разработки в Лаборатории электронных ламп компании Hughes Aircraft Company в Калвер-Сити, Калифорния, ЛБВ были запущены в производство там, а к 1960-м годам ЛБВ также производились такими компаниями, как English Electric Valve Company , а в 1970-х годах — Ferranti . [16] [17] [18]

10 июля 1962 года был запущен первый спутник связи Telstar 1 с транспондером TWT мощностью 2 Вт и частотой 4 ГГц, разработанным RCA, который использовался для передачи радиочастотных сигналов на земные станции. Syncom 2 был успешно запущен на геосинхронную орбиту 26 июля 1963 года с двумя транспондерами TWT мощностью 2 Вт и частотой 1850 МГц, разработанными Hughes — одним активным и одним запасным. [19] [20]

Использует

TWTA обычно используются в качестве усилителей в спутниковых транспондерах , где входной сигнал очень слабый, а выходной сигнал должен быть высокой мощности. [21] TWTA, используемые в спутниковой связи, считаются надежным выбором и, как правило, служат дольше ожидаемого срока службы в 15-20 лет. [22]

TWTA, выход которого управляет антенной, является типом передатчика . Передатчики TWTA широко используются в радарах , особенно в бортовых радиолокационных системах управления огнем, а также в системах радиоэлектронной борьбы и самозащиты. [23] В таких приложениях обычно вводится сетка управления между электронной пушкой TWT и структурой замедления волн, чтобы обеспечить импульсную работу. Схема, которая управляет сеткой управления, обычно называется модулятором сетки .

TWTA нашли применение в ряде космических аппаратов, включая все пять космических зондов , которые достигли скорости убегания, чтобы покинуть Солнечную систему. [24] [25] Например, двойные резервные TWTA X-диапазона мощностью 12 Вт установлены на корпусе под тарелкой космического аппарата New Horizons , [26] который посетил Плутон в 2015 году, а затем объект пояса Койпера 486958 Аррокот в 2019 году, чтобы вернуть данные на расстоянии 43,4 а.е. от Солнца. Запущенный в 2021 году космический телескоп Джеймса Уэбба использует TWT K a -диапазона . [25]

Исторические заметки

Иногда ЛБВ называют «усилительной лампой бегущей волны» (TWAT), [27], хотя этот термин никогда не был широко принят. «TWT» инженеры произносили как «twit», [28] а «TWTA» как «tweeta». [29]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Electronics World + Wireless World. Reed Business Pub. 1991. стр. 66.
  2. ^ abcdefg Gilmour, AS (2011). Клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны, усилители скрещенных полей и гиротроны. Artech House. стр. 317–18. ISBN 978-1608071852.
  3. ^ abcde Уитакер, Джерри С. (2002). Справочник по системам передачи радиочастот. CRC Press. С. 8.14–8.16. ISBN 1420041134.
  4. ^ 1997 Промышленная оценка отрасли по производству микроволновых ламп — Министерство обороны США [1]
  5. ^ Свойства оксида бериллия
  6. ^ "Лампа бегущей волны"
  7. ^ "Лампы с модулированной скоростью"
  8. ^ Джон Эверетт (1992). Vsats: Терминалы с очень маленькой апертурой. IET. ISBN 0-86341-200-9.
  9. ↑ US 2064469, Хаефф, Эндрю В., «Устройство и метод управления высокочастотными токами», опубликовано 15 декабря 1936 г., передано Radio Corporation of America. 
  10. ^ abc Copeland, Jack; Haeff, Andre A. (сентябрь 2015 г.). «Истинная история лампы бегущей волны». IEEE Spectrum . 52 (9): 38–43. doi :10.1109/MSPEC.2015.7226611. S2CID  36963575.
  11. ↑ US 2300052, Lindenblad, Nils E., "Electron discharge device system", опубликовано 27 октября 1942 г., передано Radio Corporation of America 
  12. ^ ab Gilmour, AS (1994). Принципы работы ламп бегущей волны . Библиотека радаров Artech House. Бостон: Artech House. С. 2–3. ISBN 978-0-890-06720-8.
  13. ^ Шулим Э. Цимринг (2007). Электронные пучки и микроволновая вакуумная электроника. John Wiley and Sons. стр. 298. ISBN 978-0-470-04816-0.
  14. ^ Компфнер, Рудольф (1964). Изобретение лампы бегущей волны . San Francisco Press.
  15. ^ Пирс, Джон Р. (1950). Лампы бегущей волны . D. van Nostrand Co.
  16. ^ Сайт Fire Direct Архивировано 23 сентября 2009 г. на Wayback Machine . Доступ 2 июля 2008 г.
  17. ^ "TWT - Бегущие Волновые Лампы". Архивировано из оригинала 2008-09-19 . Получено 2008-07-08 .
  18. ^ Хью Гриффитс (G4CNV) (сентябрь 1980 г.). "Усилители на лампах бегущей волны". RadCom . Получено 15 июля 2015 г.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  19. ^ Циммерман, Роберт (осень 2000 г.). "TELSTAR". Журнал изобретений и технологий . 16 (2). Американское наследие. Архивировано из оригинала 13 октября 2007 г. Получено 2 июля 2008 г.
  20. ^ Понд, Норман Х. (2008). The Tube Guys. West Plains, Missouri: Russ Cochran. стр. 328. ISBN 978-0-9816923-0-2. Архивировано из оригинала 19 июня 2010 года.
  21. ^ Деннис Родди (2006). Спутниковая связь. McGraw-Hill Professional. ISBN 0-07-146298-8.
  22. ^ Lohmeyer, Whitney Q.; Aniceto, Raichelle J.; Cahoy, Kerri L. (2016). «Усилители мощности спутников связи: текущие и будущие технологии SSPA и TWTA». Международный журнал спутниковой связи и сетей . 34 (2): 95–113. doi :10.1002/sat.1098. hdl : 1721.1/110897 .
  23. ^ Л. Сиван (1994). Микроволновые ламповые передатчики. Springer. ISBN 0-412-57950-2.
  24. ^ Людвиг, Роджер; Тейлор, Джим (март 2002 г.). "Voyager Telecommunications" (PDF) . Серия DESCANSO Design and Performance Summary . Получено 7 мая 2024 г. .
  25. ^ аб Миненна, Дэмиен Ф.Г.; Андре, Фредерик; Элскенс, Ив; Обуан, Жан-Франсуа; Лавочка, Фабрис; Пуэх, Жером; Дювердье, Элиза (2019). «Лампа бегущей волны в истории телекоммуникаций». Евро. Физ. Дж . Х. 44 (1): 1–36. arXiv : 1803.11497 . Бибкод : 2019EPJH...44....1M. дои : 10.1140/epjh/e2018-90023-1.
  26. ^ ДеБой, Кристофер К. и др. (2004). «Система радиочастотной связи для миссии New Horizons к Плутону». Труды аэрокосмической конференции IEEE 2004 г. (IEEE Cat. No.04TH8720) . Том 3. стр. 1463–1478. doi :10.1109/AERO.2004.1367922. ISBN 0-7803-8155-6.
  27. ^ "Военные аббревиатуры, инициалы и сокращения". Федерация американских ученых . Архивировано из оригинала 21 октября 2007 г.
  28. ^ Генри В. Коул (1985). Понимание радара. Коллинз. ISBN 9780003830583.
  29. ^ Марк Уильямсон (1990). Словарь космической техники. А. Хильгер. ISBN 0852743394.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки