Лампа бегущей волны
Лампа бегущей волны ( ЛБВ , произносится как «твит»). [1] ) или усилитель на лампе бегущей волны ( TWTA , произносится как «твита») — это специализированная вакуумная лампа , которая используется в электронике для усиления радиочастотных (РЧ) сигналов в микроволновом диапазоне. [2] Он был изобретен Андреем Хаеффом примерно в 1933 году, когда он был аспирантом Калифорнийского технологического института , а его нынешняя форма была изобретена Рудольфом Компфнером в 1942–43 годах. ЛБВ принадлежит к категории трубок с «линейным лучом», таких как клистрон , в которых радиоволна усиливается за счет поглощения мощности пучка электронов , проходящего по трубке. [2] Хотя существуют различные типы ЛБВ, можно выделить две основные категории: [2]
- Спиральная ЛБВ - в которой радиоволны взаимодействуют с электронным лучом, перемещаясь по проволочной спирали , окружающей луч. Они имеют широкую полосу пропускания, но выходная мощность ограничена несколькими сотнями ватт. [3]
- ЛБВ со связанным резонатором - в которой радиоволна взаимодействует с лучом в ряде резонаторов-резонаторов, через которые проходит луч. Они функционируют как узкополосные усилители мощности.
Главным преимуществом ЛБВ перед некоторыми другими микроволновыми лампами является ее способность усиливать широкий диапазон частот , т.е. широкую полосу пропускания . Полоса пропускания спиральной ЛБВ может достигать двух октав , тогда как полоса пропускания резонаторных версий составляет 10–20%. [2] [3] Рабочие частоты находятся в диапазоне от 300 МГц до 50 ГГц. [2] [3] Коэффициент усиления трубки составляет порядка 40–70 децибел . [3] а выходная мощность колеблется от нескольких ватт до мегаватт . [2] [3]
ЛБВ широко используются в качестве усилителей мощности и генераторов в радиолокационных системах, спутников связи и космических аппаратов передатчиках , а также в системах радиоэлектронной борьбы . [2]
Описание [ править ]
Базовый ЛБВ [ править ]
ЛБВ представляет собой удлиненную вакуумную трубку с электронной пушкой (нагретым катодом , излучающим 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 попадают в «коллектор», который возвращает их в цепь.
Внутри трубки, сразу за пределами пути луча, обернута спираль из проволоки, обычно из бескислородной меди . Радиочастотный сигнал, подлежащий усилению, подается в спираль в точке рядом с эмиттерным концом трубки. Сигнал обычно подается в спираль через волновод или электромагнитную катушку, расположенную на одном конце, образуя односторонний путь прохождения сигнала, направленный ответвитель .
Управляя ускоряющим напряжением, скорость электронов, текущих по трубке, устанавливается такой же, как скорость радиочастотного сигнала, бегущего по спирали. Сигнал в проводе вызывает индуцирование магнитного поля в центре спирали, где движутся электроны. В зависимости от фазы сигнала электроны будут либо ускоряться, либо замедляться при прохождении обмоток. Это заставляет электронный луч «сгущаться», что технически известно как «модуляция скорости». Полученная картина плотности электронов в пучке является аналогом исходного радиочастотного сигнала.
Поскольку луч во время движения проходит через спираль, и этот сигнал меняется, он вызывает индукцию в спирали, усиливая исходный сигнал. К тому времени, когда он достигнет другого конца трубки, этот процесс успеет передать значительную энергию обратно в спираль. Второй направленный ответвитель, расположенный рядом с коллектором, принимает усиленную версию входного сигнала с дальнего конца радиочастотной цепи. Аттенюаторы, расположенные вдоль ВЧ-цепи, предотвращают возвращение отраженной волны обратно к катоду.
Спиральные ЛБВ большей мощности обычно содержат керамику из оксида бериллия в качестве опорного стержня спирали, а в некоторых случаях и в качестве коллектора электронов для ЛБВ из-за ее особых электрических, механических и тепловых свойств. [4] [5]
Сравнение [ править ]
Существует ряд радиочастотных усилителей, которые работают аналогично ЛБВ и называются лампами с модуляцией скорости. Самый известный пример – клистрон . Все эти лампы используют одну и ту же базовую «группу» электронов для обеспечения процесса усиления и во многом различаются тем, какой процесс вызывает модуляцию скорости.
В клистроне электронный луч проходит через отверстие в резонансной полости , соединенной с источником радиочастотного сигнала. Сигнал в момент прохождения электронов через отверстие заставляет их ускоряться (или замедляться). Электроны попадают в «дрейфовую трубку», в которой более быстрые электроны догоняют более медленные, создавая сгустки, после чего электроны проходят через другую резонансную полость, из которой забирается выходная мощность. Поскольку процесс сортировки по скорости требует времени, длина дрейфовой трубы часто должна составлять несколько футов.
Для сравнения, в ЛБВ ускорение обусловлено взаимодействием со спиралью по всей длине трубки. Это позволяет ЛБВ иметь очень низкий уровень шума, что является основным преимуществом конструкции. Еще более полезно то, что этот процесс гораздо менее чувствителен к физическому расположению лампы, что позволяет ЛБВ работать в более широком диапазоне частот. ЛБВ обычно имеют преимущество, когда полезны низкий уровень шума и изменчивость частоты. [6] [7]
ЛБВ со связанным резонатором [ править ]
Пиковая радиочастотная мощность спиральных ЛБВ ограничена силой тока (и, следовательно, толщиной) спиральной проволоки. По мере увеличения уровня мощности проволока может перегреться и привести к деформации геометрии спирали. Для улучшения ситуации толщину проволоки можно увеличить, но если проволока слишком толстая, становится невозможным получить необходимый шаг спирали для правильной работы. Обычно спиральные ЛБВ достигают выходной мощности менее 2,5 кВт.
ЛБВ со связанными резонаторами преодолевает этот недостаток за счет замены спирали серией связанных резонаторов, расположенных в осевом направлении вдоль балки. Эта структура представляет собой спиральный волновод , и, следовательно, усиление может происходить за счет модуляции скорости. Спиральные волноводы имеют очень нелинейную дисперсию и поэтому являются узкополосными (но шире, чем клистрон ). ЛБВ со спаренным резонатором может достигать выходной мощности 60 кВт.
Работа аналогична работе клистрона , за исключением того, что ЛБВ со связанными резонаторами спроектированы с затуханием между замедляющей волновой структурой, а не с дрейфовой трубкой. Замедляющая структура обеспечивает широкую полосу пропускания ЛБВ. Лазер на свободных электронах позволяет использовать более высокие частоты.
Усилитель на лампе бегущей волны [ править ]
ЛБВ, интегрированная со схемами регулируемого питания и защиты, называется усилителем на лампе бегущей волны. [8] (сокращенно TWTA и часто произносится как «TWEET-ух»). Он используется для создания мощных радиочастотных сигналов. Полоса пропускания широкополосного TWTA может достигать одной октавы . [ нужна ссылка ] хотя существуют настроенные (узкополосные) версии; диапазон рабочих частот от 300 МГц до 50 ГГц.
TWTA состоит из лампы бегущей волны, соединенной со своими схемами защиты (как в клистроне ) и регулируемого питания источника (EPC), который может быть поставлен и интегрирован другим производителем. Основное различие между большинством источников питания и источниками питания для электронных ламп заключается в том, что эффективные электронные лампы имеют пониженные коллекторы для рециркуляции кинетической энергии электронов, поэтому вторичная обмотка источника питания требует до 6 отводов, из которых напряжение спирали требует точного регулирования. Последующее добавление линеаризатора ( как и в случае с индуктивной выходной лампой ) может за счет дополнительной компенсации улучшить сжатие усиления и другие характеристики TWTA; эта комбинация называется линеаризованной TWTA (LTWTA, «EL-tweet-uh»).
Широкополосные ЛБВ обычно используют спиральные ЛБВ и достигают выходной мощности менее 2,5 кВт. ЛБВ, использующие ЛБВ со связанным резонатором, могут достигать выходной мощности 15 кВт, но за счет более узкой полосы пропускания.
, разработка и использование раннее Изобретение
Оригинальный дизайн и прототип ЛБВ был разработан Андреем «Энди» Хаеффом ок. В 1931 году он работал аспирантом в радиационной лаборатории Келлога в Калифорнийском технологическом институте. Его оригинальный патент «Устройство и метод управления токами высокой частоты» 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] это было удивительно похоже на ЛБВ Компфнера. [12] : 2 Оба эти устройства были усовершенствованием оригинальной конструкции Хаеффа, поскольку оба они использовали недавно изобретенную прецизионную электронную пушку в качестве источника электронного луча, и оба направляли луч вниз по центру спирали, а не за ее пределами. Эти изменения конфигурации привели к гораздо большему усилению волн, чем конструкция Хаеффа, поскольку они основывались на физических принципах модуляции скорости и группировки электронов. [10] Компфнер разработал свою ЛБВ в Британского Адмиралтейства радиолокационной лаборатории во время Второй мировой войны . [13] Его первый эскиз ЛБВ датирован 12 ноября 1942 года, а свою первую ЛБВ он построил в начале 1943 года. [12] : 3 [14] Позднее ЛБВ была усовершенствована Компфнером. [14] Джон Р. Пирс , [15] и Лестер М. Уинслоу из Bell Labs . Обратите внимание, что патент США Компфнера, выданный в 1953 году, действительно цитирует предыдущую работу Хаеффа. [10]
К 1950-м годам, после дальнейших разработок в Лаборатории электронных ламп компании Hughes Aircraft Company в Калвер-Сити, штат Калифорния, там же пошли в производство ЛБВ, а к 1960-м годам ЛБВ также производились такими компаниями, как English Electric Valve Company , а затем Ferranti в 1970-е годы. [16] [17] [18]
10 июля 1962 года был запущен первый спутник связи Telstar 1 с транспондером TWT мощностью 2 Вт, 4 ГГц, разработанным RCA, который использовался для передачи радиочастотных сигналов на земные станции. Syncom 2 был успешно запущен на геостационарную орбиту 26 июля 1963 года с двумя транспондерами ЛБВ мощностью 2 Вт и частотой 1850 МГц, разработанными Хьюзом - одним активным и одним запасным. [19] [20]
Использует [ править ]
TWTA обычно используются в качестве усилителей в спутниковых транспондерах , где входной сигнал очень слаб, а выходной сигнал должен быть высокой мощности. [21] TWTA, используемые в спутниковой связи, считаются надежным выбором и имеют тенденцию превышать ожидаемый срок службы в 15-20 лет. [22]
TWTA, выходной сигнал которого приводит в действие антенну, представляет собой тип передатчика . Передатчики TWTA широко используются в радиолокации , особенно в бортовых радиолокационных системах управления огнем, а также в системах радиоэлектронной борьбы и самозащиты. [23] В таких приложениях между электронной пушкой ЛБВ и замедляющей структурой обычно вводится управляющая сетка, обеспечивающая импульсную работу. Схема, которая управляет сеткой управления, обычно называется модулятором сетки .
TWTA нашли применение на ряде космических кораблей, включая все пять космических зондов , которые достигли скорости отрыва от Солнечной системы. [24] [25] Например, установлены сдвоенные резервированные 12-ваттные ЛБВ Х-диапазона на корпусе под тарелкой космического корабля « Новые горизонты» , [26] который посетил Плутон в 2015 году, 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 ЛБВ K a -диапазона . [25]
Исторические заметки [ править ]
ЛБВ иногда называют «усилительной лампой бегущей волны» (ЛУБ). [27] хотя этот термин никогда не получил широкого распространения. Инженеры произносили «TWT» как «болван». [28] и «TWTA» как «твит». [29]
См. также [ править ]
- Распределенный усилитель
- Магнетрон
- Клистронная трубка
- Усилитель скрещенного поля
- Генератор обратной волны
- Индуктивная выходная трубка
- Генератор расширенного взаимодействия
Ссылки [ править ]
- ^ Мир электроники + мир беспроводных технологий . Рид Бизнес Паб. 1991. с. 66.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Гилмор, А.С. (2011). Клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны, усилители со скрещенными полями и гиротроны . Артех Хаус. стр. 317–18. ISBN 978-1608071852 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Уитакер, Джерри К. (2002). Справочник по системам радиочастотной передачи . ЦРК Пресс. стр. 8.14–8.16. ISBN 1420041134 .
- ^ Промышленная оценка индустрии микроволновых ламп, 1997 г. - Министерство обороны США [1]
- ^ Свойства оксида бериллия
- ^ "Лубка бегущей волны"
- ^ "Трубы с модулированной скоростью"
- ^ Джон Эверетт (1992). Vsats: Терминалы с очень маленькой апертурой . ИЭПП. ISBN 0-86341-200-9 .
- ^ США 2064469 , Хаефф, Эндрю В., «Устройство и способ управления высокочастотными токами», опубликовано 15 декабря 1936 г., передано Radio Corporation of America.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Коупленд, Джек; Хаефф, Андре А. (сентябрь 2015 г.). «Правдивая история трубки бегущей волны». IEEE-спектр . 52 (9): 38–43. дои : 10.1109/MSPEC.2015.7226611 . S2CID 36963575 .
- ^ США 2300052 , Линденблад, Нильс Э., «Система устройств электронного разряда», опубликовано 27 октября 1942 г., передано Radio Corporation of America.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Гилмор, А.С. (1994). Принципы работы ламп бегущей волны . Радарная библиотека Artech House. Бостон: Артех Хаус. стр. 2–3. ISBN 978-0-890-06720-8 .
- ^ Шулим Э. Цимринг (2007). Электронные пучки и микроволновая вакуумная электроника . Джон Уайли и сыновья. п. 298. ИСБН 978-0-470-04816-0 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Компфнер, Рудольф (1964). Изобретение лампы бегущей волны . Сан-Франциско Пресс.
- ^ Пирс, Джон Р. (1950). Лампы бегущей волны . Д. ван Ностранд Ко.
- ^ Веб-сайт Fire Direct. Архивировано 23 сентября 2009 г. в Wayback Machine . По состоянию на 2 июля 2008 г.
- ^ «ЛБВ — лампы бегущей волны» . Архивировано из оригинала 19 сентября 2008 г. Проверено 8 июля 2008 г.
- ^ Хью Гриффитс (G4CNV) (сентябрь 1980 г.). «Усилители на лампе бегущей волны» . РадКом . Проверено 15 июля 2015 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Циммерман, Роберт (осень 2000 г.). «ТЕЛСТАР» . Журнал изобретений и технологий . 16 (2). Американское наследие. Архивировано из оригинала 13 октября 2007 года . Проверено 2 июля 2008 г.
- ^ Пруд, Норман Х. (2008). Ребята из трубки . Вест-Плейнс, штат Миссури: Расс Кокран. п. 328. ИСБН 978-0-9816923-0-2 . Архивировано из оригинала 19 июня 2010 года.
- ^ Деннис Родди (2006). Спутниковая связь . МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-146298-8 .
- ^ Ломейер, Уитни К.; Анисето, Райшель Дж.; Кахой, Керри Л. (2016). «Усилители мощности спутников связи: текущие и будущие технологии SSPA и TWTA». Международный журнал спутниковой связи и сетей . 34 : 95–113. дои : 10.1002/сб.1098 . hdl : 1721.1/110897 .
- ^ Л. Сиван (1994). Передатчики на микроволновых трубках . Спрингер. ISBN 0-412-57950-2 .
- ^ Людвиг, Роджер; Тейлор, Джим (март 2002 г.). «Вояджер Телекоммуникации» (PDF) . Серия обзоров дизайна и производительности DESCANSO . Проверено 7 мая 2024 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Миненна, Дэмиен ФГ; 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 :1–36. arXiv : 1803.11497 . дои : 10.1140/epjh/e2018-90023-1 .
- ^ ДеБой, Кристофер С.; и др. (2004). «Радиотелекоммуникационная система для миссии New Horizons к Плутону». Материалы аэрокосмической конференции IEEE 2004 г. (каталожный номер IEEE 04TH8720) . 3 : 1463–1478. дои : 10.1109/AERO.2004.1367922 .
- ^ «Военные аббревиатуры, инициализмы и аббревиатуры» . Федерация американских ученых . Архивировано из оригинала 21 октября 2007 г.
- ^ Генри В. Коул (1985). Понимание радара . Коллинз. ISBN 9780003830583 .
- ^ Марк Уильямсон (1990). Словарь космической техники . А. Хильгер. ISBN 0852743394 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Коупленд, Джек; Хаефф, Андре А. (сентябрь 2015 г.). «Правдивая история трубки бегущей волны».
- Армстронг, Картер М; (ноябрь 2015 г.). «В поисках идеальной вакуумной лампы». IEEE-спектр; [2]
Внешние ссылки [ править ]
- Мемориальная страница с фотографией Джона Пирса с TWT в руках.
- Страница Найквиста с фотографией Пирса, Компфнера и Найквиста перед расчетами ЛБВ на доске.
- Лампы бегущей волны TMD , информация и технические паспорта в формате PDF.
- Флэш-анимация, показывающая работу лампы бегущей волны (ЛБВ) и ее внутреннюю конструкцию.