Princípy rádiolokácie - Progresívna vlnová trubica

Progresívna vlnová trubica

Obrázok 1: Vysokovýkonný TUP typu VTR 572B

Progresívna vlnová trubica

Progresívne vlnové elektrónky, skrátene TUP (TWT), sú špeciálne mikrovlnné elektrónky používané ako širokopásmové zosilňovače. Tvoria zvláštnu kategóriu elektrónok, ktoré využívajú moduláciu rýchlosti elektrónov. Kvôli nízkemu šumovému faktoru sa tieto elektrónky používajú ako zosilňovače veľmi vysokej frekvencie v prijímačoch. V závislosti od aplikácií je TUP rozdelený do dvoch kategórií:

TUP s nízkym výkonom
používané vo vstupných poschodiach radarových prijímačov ako nízkošumové, širokopásmové a vysoko citlivé zosilňovače
Napájanie TUP
používané ako predzosilňovače zosilňovača alebo ako výkonové zosilňovače v konečných stupňoch zosilnenia vysielačov.

Prezentované budú:

Obrázok 2: Ruský TUP typ UV-1B (cyrilika: УВ-1Б)

Konštruktívna realizácia a prevádzka

Progresívne vlnové trubice sú nízkošumové, nízkošumové zosilňovače s vysokým zosilnením používané v mikrovlnnom poli. Majú zosilňovacie koeficienty, ktoré môžu presahovať 40 dB, a frekvenčné pásma väčšie ako jedna oktáva. (1-oktávové frekvenčné pásmo je pásmo, v ktorom je maximálna frekvencia dvojnásobná ako minimum.) Trubice s progresívnym vlnením pracujú pri frekvenciách od 300 MHz do frekvencií nad 50 GHz. TUP je hlavne zosilňovač napätia. Vďaka širokopásmovému pripojeniu a nízkemu šumu je TUP základným prvkom pri konštrukcii vysokofrekvenčných zosilňovačov v zložení radarových systémov, ale aj telekomunikačných zariadení.

Obrázok 3: Konštruktívna realizácia TUP

Obrázok 3: Konštruktívna realizácia TUP

Obrázok 3: Konštruktívna realizácia TUP

Obrázok 4: Zosilnenie signálu pozdĺž špirály

Obrázok 3 zobrazuje konštruktívne prvky TUP. Rúrka s progresívnou vlnou obsahuje elektronické delo s úlohou generovať elektróny a urýchľovať ich v úzkom lúči, ktorý sa pohybuje pozdĺž trubice. Magnetický systém obklopujúci trubicu vytvára magnetické pole, ktoré zameriava elektróny vo veľmi úzkom zväzku. Špirála je prenosové vedenie, ktorým preteká veľmi vysokofrekvenčná energia. Jeho úlohou je úloha oneskorovacej linky, vankúša na zníženie rýchlosti šírenia elektromagnetickej vlny pozdĺž trubice. Týmto spôsobom sa rýchlosť vlny stane porovnateľnou s rýchlosťou elektrónov v lúči, čím sa zabezpečí interakcia medzi vlnou a elektrónmi. Signál veľmi vysokej frekvencie je vložený do špirály a na jej konci je extrahovaný pomocou spojok, ak je vstup a výstup uskutočňovaný na vlnovode, respektíve priamym spojením so špirálou, ak sú vstup a výstup na koaxiálnom kábli. Tlmič v strede trubice zabraňuje šíreniu akýchkoľvek odrazov signálu v špirále v opačnom smere.

Obrázok 5 zobrazuje čiary elektrického poľa vlny šíriacej sa pozdĺž špirály, čiary rovnobežné s elektrónovým lúčom.

Obrázok 5: Modulácia rýchlosti elektrónov
a podrobná fotografia špirály
(meraná časť obsahuje 20 závitov)

Obrázok 5: Modulácia rýchlosti elektrónov a detailná fotografia špirály
(meraná časť obsahuje 20 závitov)

Interakcia medzi siločarami a elektrónovým lúčom vedie k modulácii rýchlosti elektrónov. Rýchlosť modulácie má za následok zoskupovanie elektrónov, tj hustotnú moduláciu. Zoskupenie sa začína hneď na začiatku špirály a maximum dosahuje na jej konci. Elektrónové skupiny budú prenášať energiu na vlnu, ak siločiary majú elektrónový brzdný účinok vedľa týchto skupín. Rúrka s progresívnym vlnením je skonštruovaná takým spôsobom, že počet elektrónov, ktoré prenášajú energiu na vlnu, je oveľa vyšší ako tých, ktoré energiu z vlny prijímajú. Vlna, ktorá sa šíri špirálou, teda permanentne prijíma energiu zo skupín elektrónov, čo vedie k jej zosilneniu.

Funkcie TUP

Obrázok 6: Charakteristika TUP

Zosilnenie výkonu progresívnej vlnovej trubice závisí od nasledujúcich faktorov:

fyzikálne vlastnosti trubice (napr. dĺžka špirály)
priemer elektrónového lúča (nastaviteľný zmenou intenzity zaostrovacieho magnetického poľa)
sila vstupného signálu (pozri obrázok 6)
špirálové napätie UA2

Ako je zrejmé z obrázku 6, zosilnenie TUP má pri nízkych výkonoch vstupného signálu lineárnu charakteristiku okolo 26 dB. Keď sa zvyšuje vstupný výkon, výkon výstupného signálu sa toľko nezvyšuje a hodnota zosilnenia klesá. To má za následok obmedzujúci jav, ktorý zabráni presýteniu ďalšieho poschodia (napr. Mixéra) silným signálom. Nevýhodou elektrónok s progresívnym vlnením je ich relatívne nízka účinnosť.

Vzhľadom na skutočnosť, že zosilnenie TUP je výsledkom interakcie medzi elektrónovým lúčom a vlnou šíriacou sa pozdĺž špirály, vyplýva z toho, že frekvenčné pásmo závisí iba od frekvenčného správania špirály. Takto je možné získať frekvenčné pásma rádovo gigabajtov.

Najdôležitejším parametrom TUP používaným ako vstupné zosilňovače v prijímačoch je faktor šumu, pretože ten určuje citlivosť celého prijímača, a tým aj maximálnu vzdialenosť detekcie radaru. Faktor šumu moderného TUP má hodnoty 3. 10 dB. Hlavné príčiny hluku sú:

alický efekt (charakteristika elektronických trubíc)
distribučný efekt (charakteristika rúr s viacerými mriežkami)
nerovnomerná emisia elektrónov katódou.

Faktor šumu tiež závisí od zmeny v porovnaní s nominálnymi hodnotami napájacích napätí TUP. Napríklad, ak sú napätia o 5% nižšie ako nominálne hodnoty, faktor šumu sa môže zdvojnásobiť.

Rôzne typy oneskorovacej linky

Namiesto špirály je možné použiť iné typy oneskorovacích vedení, napríklad tie s krúžkovou tyčou alebo dutinou spojenou s krúžkom. Typ použitej štruktúry závisí od požadovaných parametrov TUP: zosilnenie, frekvenčné pásmo alebo výkon.

TUP s oneskorovacou linkou „Ring-Loop“

Obrázok 7: Čiara oneskorenia krúžkovej slučky

Tieto TUP používajú ako oneskorovacie vedenie krúžky navzájom spojené pomocou slučiek. Môžu pracovať s vyšším výkonom ako bežné (špirálové) TUP, ale majú nižšie frekvenčné pásmo (5… 15%) a nižšiu maximálnu frekvenciu (18 GHz).

Hlavnými vlastnosťami oneskorovacej linky „ring-loop“ sú vysoká väzbová impedancia a nízka úroveň harmonických. Tieto typy TUP majú teda výhodu v tom, že majú vyššie zosilnenie (40… 60 dB), malú veľkosť, odolávajú vyššiemu napätiu a sú menej vystavené osciláciám v dôsledku reverznej vlny.

Obrázok 8: Ring-Bar Delay Line

TUP s oneskorovacou linkou „Ring-Bar“

Tento typ TUP má podobné vlastnosti ako typ „ring-loop“. Linku oneskorenia kruhového pruhu je možné oveľa ľahšie rezať medenou rúrkou.

Obrázok 9: Čiara oneskorenia so spojenými dutinami

TUP so spojenými dutinami

TUP v spojenej dutine používajú oneskorovacie vedenie pozostávajúce zo série rezonančných dutín navzájom spojených slotmi, ktoré tvoria spojené prenosové vedenie. Elektrónový lúč (zobrazený červenou farbou na obrázku 9) je modulovaný rýchlosťou v prvej dutine vstupným RF signálom. Energia veľmi vysokej frekvencie (znázornená modrou šípkou) sa šíri cikcakom z jednej dutiny do druhej a interaguje s elektrónovým lúčom.

Správnym výberom vzdialenosti medzi dutinami bude mať interakcia medzi elektrónovým lúčom a vlnou, ktorá sa šíri z jednej dutiny do druhej, za následok silné zosilnenie vlny. TUP so spojenými dutinami môžu byť použité pri oveľa vyšších výkonoch ako obvykle, ale majú užšie pásmo ako tieto (hoci väčšie ako u klistrónov).