Генератор обратной волны

Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Июль 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Миниатюрная лампа обратной волны O-типа, произведенная компанией Varian в 1956 году. Она могла настраиваться 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

Обратная волна ( ЛОВ ), называемые также карсинотрон (торговое названием для труб , изготовленных CSF , теперь Фалес ) или лампы обратной волны , является вакуумной трубой , которая используется для генерации микроволн до терагерцового диапазона. Принадлежащий к семейству ламп бегущей волны , это генератор с широким диапазоном электронной перестройки.

Электронная пушка генерирует электронный луч , который взаимодействует со структурой медленных волн. Он поддерживает колебания , распространяя бегущую волну назад против луча. Генерируемая мощность электромагнитной волны имеет групповую скорость, противоположную направлению движения электронов. Выходная мощность выводится около электронной пушки.

Он имеет два основных подтипа: M-тип ( M-BWO ), самый мощный, и O-тип ( O-BWO ). Выходная мощность O-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 микроволн. Из-за хорошего качества волнового фронта, который они производят (см. Ниже), они находят применение в качестве осветителей в терагерцовом изображении.

На обратной волны были продемонстрированы в 1951 году, М-типа с Bernard Epsztein ^[1] и O-типа по Компфнер . ЛОВ М-типа представляет собой управляемую напряжением нерезонансную экстраполяцию магнетронного взаимодействия. Оба типа настраиваются в широком диапазоне частот путем изменения ускоряющего напряжения . Они могут проходить через полосу достаточно быстро, чтобы излучать сразу всю полосу, что делает их пригодными для эффективного подавления радиолокационных сигналов , быстро настраиваясь на частоту радара. Карцинотроны позволяли использовать бортовые радиолокационные помехи высокой эффективностью. Однако радары с быстрой перестройкой частотыможет скачкообразно скачивать частоты достаточно быстро, чтобы заставить генератор помех использовать заградительные помехи , уменьшая его выходную мощность в широком диапазоне и значительно снижая его эффективность.

Карцинотроны используются в исследовательских, гражданских и военных целях. Например, чехословацкий пассивный датчик Kopac и пассивный датчик системы обнаружения ПВО Ramona использовали карцинотроны в своих приемных системах.

Основная концепция [ править ]

Все лампы бегущей волны работают одинаково и различаются, прежде всего, деталями своей конструкции. Эта концепция зависит от постоянного потока электронов из электронной пушки, который движется вниз по центру трубки (см. Смежную концептуальную схему ). Электронный луч окружает своего рода радиочастотный источник сигнала; в случае традиционного клистрона это резонансная полость, на которую подается внешний сигнал, тогда как в более современных устройствах есть серия этих 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 по мере того, как они отталкиваются или притягиваются по длине трубки, процесс, известный 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. Электронный ток зависит от деталей пушки и, как правило, на несколько порядков мощнее входного радиочастотного сигнала. Результатом является сигнал в электронном луче, который является усиленной версией исходного радиочастотного сигнала. ^[2]

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

BWO [ править ]

ЛОВ построен аналогично спиральной ЛБВ. Однако вместо того, чтобы радиочастотный сигнал распространялся в том же (или подобном) направлении, что и электронный луч, исходный сигнал распространяется под прямым углом к ​​лучу. Обычно это достигается просверливанием отверстия в прямоугольном волноводе и пропусканием луча через отверстие. Затем волновод проходит два поворота под прямым углом, образуя С-образную форму и снова пересекая луч. Этот основной узор повторяется по длине трубки, поэтому волновод проходит через луч несколько раз, образуя серию S-образных форм. ^[2]

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

Разница между двумя системами состоит в том, что в ЛБВ скорость распространения по спирали должна быть аналогична скорости распространения электронов в пучке. В BWO дело обстоит иначе. Волновод налагает строгие ограничения на полосу пропускания сигнала и устанавливает скорость его распространения как основную функцию своей конструкции, но скорость сигнала, наведенного в электронный пучок, зависит от скорости электронов. Это означает, что частота выходного сигнала может быть изменена путем изменения скорости электронов, что легко достигается путем изменения напряжения электронной пушки. ^[2]

Carcinotron [ править ]

Первоначально устройству было присвоено название «карцинотрон», потому что он был подобен раку для существующих радарных систем. Путем простого изменения напряжения питания устройство могло генерировать любую требуемую частоту в полосе частот, которая была намного больше, чем мог бы соответствовать любой существующий микроволновый усилитель - магнетрон резонатора работал на одной частоте, определяемой физическими размерами их резонаторов, а клистрон усиливал внешний сигнал, но эффективно только в небольшом диапазоне частот. ^[2]

Раньше подавление РЛС было сложной и трудоемкой операцией. Операторам приходилось прослушивать потенциальные используемые частоты, настраивать один из группы усилителей на этой частоте, а затем начинать вещание. Когда радиолокационная станция поймет, что происходит, они изменят свои частоты, и процесс начнется снова. В отличие от этого, карцинотрон мог проходить все возможные частоты так быстро, что казалось, что это постоянный сигнал на всех частотах одновременно. Типичные конструкции могут генерировать сотни или несколько тысяч ватт, поэтому на любой одной частоте радиолокационная станция может принимать несколько ватт мощности. Однако на большом расстоянии количество энергии исходной радиолокационной передачи, которая достигает самолета, составляет не более нескольких ватт, поэтому карцинотрон может их пересилить.^[2]

Система была настолько мощной, что было обнаружено, что действующий на самолет карцинотрон начинает действовать еще до того, как поднимется над горизонтом радара . По мере того, как он перебирал частоты, он транслировал рабочую частоту радара в фактически случайные моменты времени, заполняя дисплей случайными точками каждый раз, когда антенна была направлена ​​рядом с ним, возможно, на 3 градуса с каждой стороны от цели. Было так много точек, что на экране просто появился белый шум в этой области. По мере приближения к станции сигнал также начинал появляться в боковых лепестках антенны , создавая дополнительные области, которые были закрыты шумом. На близком расстоянии, порядка 100 миль (160 км), весь экран радарабудет полностью заполнен шумом, что сделает его бесполезным. ^[2]

Концепция была настолько сильна , как постановщик помехи , что есть серьезные опасения , что наземные радары были устаревшими. У бортовых радаров было то преимущество, что они могли приблизиться к самолету, несущему глушитель, и, в конце концов, огромная мощность их передатчика «прожигала» глушилки. Однако перехватчики той эпохи полагались на наземное направление, чтобы попасть в зону действия, используя наземные радары. Это представляло огромную угрозу для операций противовоздушной обороны. ^[4]

Для наземных радаров угроза в конечном итоге была устранена двумя способами. Во-первых, радары были модернизированы для работы на многих разных частотах и ​​случайного переключения между ними от импульса к импульсу, эта концепция теперь известна как частотная гибкость . Некоторые из этих частот никогда не использовались в мирное время и были строго засекречены в надежде, что они не будут известны глушителю в военное время. Карцинотрон все еще может проходить через весь диапазон, но тогда он будет вести радиовещание на той же частоте, что и радар, только в случайные моменты времени, что снижает его эффективность. Другое решение заключалось в добавлении пассивных приемников, которые триангулировали радиопередачи карцинотрона, что позволяло наземным станциям выдавать точную информацию о местонахождении источника помех и позволяло атаковать их. ^[4]

Замедляющая структура [ править ]

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

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

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.

На диаграмме ω-k или диаграмме Бриллюэна показаны два примера характеристик замедляющих цепей :

• на рисунке (а) основная гармоника 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 ), условием синхронизма для обратного взаимодействия является в точке B, пересечение линии наклона v _e - скорости луча - с первой обратной (n = -1) пространственной гармоникой,
• на рисунке (b) основная (n = 0) обратная

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 большом значении n, взаимодействие может быть значительным только с основной или первой пространственной гармоникой.

BWO типа M [ править ]

М-тип карсинотрон , или М-тип обратной волна , использует пересекла статическое электрическое поле Е и магнитное поле B, похожий на магнетрон , для фокусировки электронно листов луча дрейфующего перпендикулярно Е и В, вдоль цепи медленных волн, 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 ВЧ поля (E _y параллельно статическому полю E). Электроны, находящиеся в замедляющем электрическом поле E _z замедляющей волны, теряют потенциальную энергиюони находятся в статическом электрическом поле E и достигают цепи. Единственный электрод является более отрицательным, чем катод, чтобы избежать сбора электронов, набравших энергию при взаимодействии с медленной пространственной гармоникой.

O-type BWO [ править ]

О-типа карсинотрон , или О-тип обратной волна , использует электронный луч в продольном направлении сосредоточен магнитным полем, и схема замедляющего взаимодействия с пучком. Коллектор собирает луч на конце трубки.

Спектральная чистота и шум O-BWO [ править ]

BWO - это генератор с перестраиваемым напряжением, скорость настройки которого напрямую связана с характеристиками распространения цепи. Колебание начинается с частоты, при которой волна, распространяющаяся по контуру, синхронна с медленной волной пространственного заряда пучка. По сути, ЛОВ более чувствителен, чем другие генераторы, к внешним колебаниям. Тем не менее, его способность синхронизироваться по фазе или частоте была продемонстрирована, что привело к успешной работе в качестве гетеродинного гетеродина.

Стабильность частоты [ править ]

Чувствительность по напряжению и частоте 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 (так называемое «изменение частоты»). Колебания тока на низких частотах в основном связаны с подачей анодного напряжения, а чувствительность к анодному напряжению определяется выражением

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

Эта чувствительность по сравнению с чувствительностью катода по напряжению уменьшается на отношение ω _q / ω, где ω _q - угловая плазменная частота; это отношение порядка нескольких раз 10 ^-2 .

Шум [ править ]

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

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

• Джонсон, HR (1955). Генераторы обратной волны. Труды ИРЭ, 43 (6), 684–697.
• Рамо С., Виннери-младший, Ван Дузер Т. - Поля и волны в коммуникационной электронике (3-е изд. 1994) John Wiley & Sons
• Канторович Г., Паллуэль П. - Осцилляторы обратной волны в инфракрасных и миллиметровых волнах, том 1, гл. 4, изд. К. Баттона, Academic Press, 1979.
• de Graauw Th., Anderegg M., Fitton B., Bonnefoy R., Gustincic JJ - 3rd Int. Конф. Submm. Волны, Гилфордский университет Суррея (1978)
• Перевести Г., Йоу Т., в миллиметровые и субмиллиметровые волны, гл. 4, (1964) Illife Books, Лондон

Внешние ссылки [ править ]

• Виртуальный музей клапанов Thomson CSF CV6124