فهرست مطالب

چکیـده 2

فصل اول : لامپ‌های با میدان متقاطع  (Cross – Field)  مایکروویوی (M-Type) 3

مقدمه. 4

1-1-اسیلاتورهای مگنترون.. 5

1-1-1-مگنترون با آند دو نیم شده 5

1-1-2-مگنترون سیکلوترون فرکانس…. 5

1-1-3-مگنترون موج رونده 6

1-2-مگنترون‌های استوانه‌ای.. 6

1-3-مگنترون کواکسیالی.. 8

1-3-1-مگنترون‌های کواکسیالی شرکت Litton.. 9

1-4-مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ 10

1-4-1-مگنترون قابل تنظیم ساخت شرکت TMD… 11

1-4-2-مگنترون با فرکانس ثابت ساخت شرکت TMD… 12

1-5-مگنترون کواکسیالی معکوس…. 12

1-6-مگنترون کواکسیالی Frequency- Agile. 13

1-6-1- مگنترون‌های Frequency Agile شرکت Litton.. 13

1-6-2-مگنترون‌های Frequency Agile شرکت TMD… 15

1-7-VANE AND STRAP.. 15

1-7-1-مگنترون‌های Vane and strap شرکت Litton.. 16

1-8-Rising sun.. 17

1-8-1-مگنترون‌های Rising sun شرکت Litton.. 17

1-9-Injection – Locked.. 18

1-10-مگنترون‌های Beacon.. 18

1-10-1-مگنترون‌های Beacon شرکت Litton.. 19

1-11-CFA (Cross Field Amplifier) 20

1-11-1-اصول عملکرد. 21

1-12- CFA های شرکت Litton.. 23

فصل دوم : لامپ با پرتو خطی (O-Type) 25

مقدمه. 26

2-1-کلایسترون‏ها 26

2-1-1- تقویت کننده کلایسترون چند حفره ای (Multi Carity) 28

2-1-2- کلایسترون‏های چند پرتوی (MBK) 29

2-2- لامپ موج رونده ( TWT ) 30

2-2-1- تاریخچه TWT.. 31

2-2-2- اجزای یک TWT.. 33

2-2-3- اساس عملکرد TWT.. 34

2-2-4- کنترل پرتو. 36

2-2-5-تغییر در ساختار موج آهسته. 37

2-2-6- لامپهای Coupled – Cavity TWT.. 38

2-2-6-1- توصیف فیزیکی.. 38

2-2-6-2-اصول کار Coupled – Cavity TWT.. 39

2-2-6-3-تولید Coupled – Cavity TWT های جدید. 40

2-2-7- لامپهای Helix TWT.. 46

2-2-7-1- Helix TWT های شرکت TED… 48

2-2-7-2- Helix TWT های شرکت Litton.. 50

2-2-8- High Power RING – LOOP TWT.. 52

2-2-9- Pulsed TWT.. 53

2-2-10- TWT  های پر قدرت CRIDDED – CONTROL.. 54

2-3-گایروترونهای پالس طولانی و CW…. 56

2-3-1-پیشرفت های اخیر در تقویت کننده های گایروکلایسترون موج میلیمتری در NRL.. 59

2-3-2- WARLOC رادار جدید پر قدرت GHZ 94. 59

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

چکیـده

 

این مقاله تحقیقی در مورد بررسی لامپ‌های پرقدرت مورد استفاده در رادار از نظر پهنای باند، قدرت، بهره ، راندمان و غیره می‌باشد.

  

در فصل اول با مطالعه روی لامپ‌های با میدان متقاطع (M- Type) و توصیف انواع آن پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را ارئه نموده است.

 

در فصل دوم به بررسی لامپ‌های با پرتو خطی (O-Type) و انواع مختلف آن و بررسی عمکرد تک‌تک آنها و آخرین تکنولوژی روز جهان پرداخته شده است.

 

فصل اول :

لامپ‌های با میدان متقاطع
(Cross – Field)  مایکروویوی (M-Type)

 

 

مقدمه

در لامپ‌های با میدان متقاطع (Cross Fielde) میدان مغناطیسی dc و میدان الکتریکی dc بر یکدیگر عمودند. در همه لامپ‌های CF میدان مغناطیسی dc نقش مستقیمی در فرآیند اندرکنشی RF ایفا می‌کند.

لامپ‌های CF نامشان را از این حقیقت که میدان الکتریکی dc و میدان مغناطیسی dc بر یکدیگر عمودند گرفته‌اند. در لامپ CF الکترونهایی که توسط کاتد ساطع می‌شوند بوسیله میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند و سرعت می‌گیرند. اما همانطور که با ادامه مسیر سرعتشان بیشتر می‌شود توسط میدان مغناطیسی خم می‌شوند. اگر یک میدان RF در مدار آند به کار برده شود الکترون‌هایی که در طی اعمال میدان کاهنده وارد مدار شوند کند می‌شوند و مقداری از انرژی خود را به میدان RF می‌دهند. در نتیجه سرعتشان کاهش می‌یابد و این الکترونهای با سرعت کمتر در میدان الکتریکی dc که به میزان کافی دور هست تا ضرورتاً همان سرعت قبلی را دوباره بدست بیاورند طی مسیر می‌کنند. بدلیل کنش اندرکنش‌های میدان متقاطع فقط آن الکترون‌هایی که انرژی کافی به میدان RF داده‌اند می‌توانند تمام مسیر تا آند را طی کنند. این خصیصه لامپ‌های CF را نسبتاً مفید می‌سازد. آن الکترونهایی که در طی اعمال میدان شتاب‌دهنده وارد مدار می‌شوند بر حسب دریافت انرژی کافی از میدان RF شتاب داده می‌شوند و به سمت کاتد باز می‌گردند. این بمباران برگشتی در کاتد گرما ایجاد می‌کند و راندمان کار را کاهش می‌دهد.

در این فصل چندین لامپ CF را که عموماً به کار برده می‌شوند مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

 

1-1-اسیلاتورهای مگنترون

Hull در سال 1921 مگنترون را اختراع کرد. اما این وسیله تاحدود دهه 1940 تنها یک وسیله آزمایشگاهی جالب بود. در طول جنگ جهانی دوم نیازی فوری به مولدهای ماکروویوی پرقدرت برای فرستنده‌های رادار منجر به توسعه سریع مگنترون شد. همه مگنترون‌ها شامل بعضی اشکال آند و کاتد که در یک میدان مغناطیسی در میان یک میدان الکتریکی بین آند و کاتد کار می‌کنند می‌باشند. به دلیل میدان تقاطع بین آندو کاتد الکترون‌هایی که از کاتد ساطع می‌شوند تحت‌تأثیر میدان متقاطع مسیرهایی منحنی‌شکل را طی می‌کنند.

اگر میدان مغناطیسی dc به اندازه کافی قوی باشد الکترون‌ها به آند نخواهند رسید ولی درعوض به کاتد باز می‌گردند. در نتیجه جریان آند قطع می‌شود. مگنترون‌ها را می‌تان به سه نوع طبقه‌بندی کرد:

 

1-1-1-مگنترون با آند دو نیم شده[1]

این نوع مگنترون از یک مقاومت منفی بین دو قسمت آند استفاده می‌کند.

 

1-1-2-مگنترون سیکلوترون فرکانس

این نوع مگنترون تحت تأثیر عمل سنکرون کردن یک جزء متناوب میدان الکتریکی و نوسان پریودیک الکترون‌ها در یک مسیر مستقیم با میدان عمل می‌کند.

 

1-1-3-مگنترون موج رونده

این نوع مگنترون به اندرکنش الکترون‌ها با میدان الکترومغناطیسی رونده با سرعت خطی بستگی دارد. این نوع از لامپها به صورت ساده به عنوان مگنترون نامیده می‌شود.

مگنترون‌ها با مقاومت منفی معمولاً در فرکانس‌های زیر ناحیه مایکروویوی کار می‌کنند. اگرچه مگنترون‌های سیکلوترون فرکانس در فرکانس ناحیه مایکروویوی کار می‌کنند، قدرت خروجی آنها بسیار کم است (حدود 1 وات در GHZ 3) و راندمان آنها بسیار کم است. (حدود 10% در نوع آند دونیم شده و 1% در نوع تک‌آندی) بنابراین دو نوع اول مگنترون‌ها در این نوشتار مورد توجه نیستند.

 

1-2-مگنترون‌های استوانه‌ای

دیاگرام شماتیکی اسیلاتور مگنترون استوانه‌ای در شکل زیر نشان داده می‌شود. این نوع مگنترون، مگنترون قراردادی[2] نیز نامیده می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

در مگنترون استوانه‌ای چندین حفره به شکاف‌ها متصل شده‌اند و ولتاژ dc V0 بین کاتد و آند اعمال می‌شود. چگالی شار مغناطیسی B0 در راستای محور Z است. وقتی که ولتاژ dc و شار مغناطیسی به درستی تنظیم شوند الکترون‌ها مسیرهای دایروی را در فضای آند- کاتد تحت نیروی ترکیبی میدان الکتریکی و مغناطیسی طی می‌کند.

 

برای سالهای بسیار مگنترون‌ها منابع پرقدرتی در فرکانس‌هایی به بزرگی GHZ 70 بوده‌اند. رادار نظامی از مگنترون‌های موج رونده قراردادی برای تولید پالس‌های RF با پیک قدرت بالا استفاده می‌کند. هیچ‌وسیله مایکروویوی دیگری نمی‌تواند همانطور که مگنترون‌های قراردادی می‌توانند عمل مگنترون را با همان اندازه، وزن، ولتاژ و محدوده راندمان انجام دهد. در حال حاضر، مگنترون می‌تواند پیک قدرت خروجی تا KW 800 می‌رسد. راندمان بسیار بالاست و از 40 تا 70% تغییر می‌کند.

 

1-3-مگنترون کواکسیالی[3]

مگنترون کواکسیالی از ترکیب یک ساختار رزوناتوری آند که توسط یک حفره با Q بالا که در مورد TE011 کار می‌کنند احاطه شده است تشکیل شده است.

 

 

 

 

شیارهایی که در پشت دیواره حفره‌های متناوب ساختار رزوناتوری آند قرار دارند به طور محکمی میدان‌های الکتریکی این رزوناتورها را با حفره احاطه‌کننده کوپل می‌کنند. در عمل مود میدان‌های الکتریکی در همه حفره‌های دیگر هم فاز هستند و بنابراین آنها در جهت یکسان با حفره احاطه‌کننده کوپل می‌شوند. در نتیجه حفره کواکسیالی محیطی مگنترون را در مورد مطلوب تثبیت می‌کند. در مورد TE011 مطلوب میدان‌های الکتریکی مسیری دایروی را در داخل حفره طی می‌کنند و در دیواره‌های حفره به صفر کاهش می‌یابند. جریان در مورد TE011 در دیواره‌های حفره در مسیرهای دایروی حول محور لامپ جریان دارند. مودهای غیرمطلوب توسط تضعیف‌کننده در داخل استوانه داخلی شیاردار نزدیک انتهاهای شیارهای کوپلینگ میرا می‌شوند. مکانیزم تنظیم ساده و قابل اعتماد است. رزوناتور آند مگنترون کواکسیالی می‌تواند بزرگتر و با پیچیدگی کمتری نسبت به مگنترون قراردادی باشد. بنابراین بارگذاری کاتد کمتر است و شیب‌های ولتاژ کاهش داده می‌شوند.

 

1-3-1-مگنترون‌های کواکسیالی شرکت Litton

 

Product Number	Band	Frequency GHz	Peak Power Kw	Duty Cycle
L-4570	C	5.4-5.88	250	0.0013
L-4469	X	8.5-9.6	200	0.001
L-4936	X	7.8-8.5	20	0.0012
L-4972	X	8.5-9.6	20	0.0012
L-4575	X	8.5-9.6	200	0.001
L-4593	X	8.5-9.6	250	0.0005
L-4590	X	8.7-9.4	200	0.001
L-4770	X	9.0-9.16	70	0.00066
L-4791	X	9.0-9.2	80	0.0011
L-4581	X	9.0-9.6	220	0.001
L-4979	X	9.05-10.0	100	0.001
L-4666	X	9.16-9.34	350	0.001
L-4583 A	X	9.2-9.55	200	0.001
L-5190	X	9.24	90	0.001
L-5362 B	X	9.345	10	0.001
L-5274 B	X	9.345	7.5	0.001
L-4652 B	X	9.345	8.7	0.001
L-4704	X	9.345	8.7	0.001

 

1-4-مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ[4]

مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ یک اسیلاتور باند وسیع با فرکانس متغیر با تغییر ولتاژ اعمال شده بین آندوسل[5] است. همانطور که در شکل زیر نشان داده می‌شود پرتو الکتریکی از یک کاتد استوانه‌ای کوتاه از یک انتهای دستگاه ساطع می‌شود.

الکترون‌ها توسط میدان‌های الکتریکی مغناطیس به شکل یک پرتو توخالی درمی‌آیند و سپس به طور اساسی از کاتد به بیرون فرستاده می‌شود. سپس پرتو الکترونی به ناحیه بین سل و کاتد وارد می‌شوند. پرتو با سرعتی که توسط میدان مغناطیسی محوری و ولتاژ dc اعمال شده بین آند و سل کنترل می‌شود حول سل می‌گردد.

 

مگنترون با ولتاژ قابل تنظیم از یک رزوناتور با Q کم استفاده می‌کند و پهنای باند آن در سطوح قدرت کم از 50% تجاوز می‌کند. در مورد  ، فرآیند دسته‌شدن پرتو توخالی در رزوناتور رخ می‌دهد و فرکانس نوسان توسط سرعت چرخشی پرتو الکترونی تعیین می‌شود. به عبارت دیگر فرکانس نوسان را می‌توان با تغییر ولتاژ dc اعمال شده بین آند و سل کنترل کرد.

در سطوح قدرت بالا و فرکانس‌های بالا درصد پهنای باند محدود است، در حالیکه در سطوح قدرت کم و فرکانس‌های بالا پهنای باند ممکن است به 70% برسد.

 

1-4-1-مگنترون قابل تنظیم[6] ساخت شرکت TMD

Duty Cycle Max	Tuning Range  MHZ	پیک قدرت KW	فرکانس GHZ
001/0	1000	200	5/9-5/8
0015/0	50	100	2/9-9
0015/0	200	100	5/9-1/9
0015/0	200	100	4/9-3/9

 

1-4-2-مگنترون با فرکانس ثابت[7] ساخت شرکت TMD

Duty Cycle Max	پیک قدرت KW	فرکانس GHZ
001/0	3	24/9-21/9
0015/0	100	27/9-22/9
001/0	100	39/9-35/9
0015/0	50	17-16

 

1-5-مگنترون کواکسیالی معکوس

مگنترون را می‌توان با آند و کاتد معکوس ساخت. یعنی اینکه کاتد آند را احاطه کند. در مگنترون کواکسیالی معکوس حفره در داخل یک استوانه شیاردار قرار می‌گیرد و آرایه پره رزوناتور در خارج آن قرار گرفته است. کاتد یک حلقه حول آند تشکیل می‌دهد. شکل زیر دیاگرام شماتیکی مگنترون کواکسیالی را نشان می‌دهد.

 

 

 

 

 

1-6-مگنترون کواکسیالی Frequency- Agile

مگنترون کواکسیالی Frequency Agile با مگنترون قابل تنظیم استاندارد متفاوت است. Frequency Agility (FA) یک مگنترون کواکسیالی به صورت قابلیت تنظیم فرکانس خروجی رادار با سرعت به اندازه کافی بالا برای ایجاد تغییر فرکانسی پالس به پالس است، به طوری که این تغییر بزرگتر از مقدار لازم موثر برای خنثی کردن وابستگی اکوهای مجاور رادار باشد تعریف می‌شود.

مگنترون Frequency – Agile به همراه مدارهای مجتمع گیرنده مناسب می‌تواند جرقه‌زنی[8] هدف را کاهش می‌دهد، قابلیت تشخیص هدف را در یک محیط شلوغ افزایش دهد و مقاومت در برابر اقدام‌های متقابل الکترونیکی (ECM) را افزایش دهد. افزایش جدا سازی فرکانسی پالس به پالس بیشتر، شکل بیشتر در مرکز قرار دادن فرستنده پارازیتی در فرکانس رادار روی خواهد داد که این کار برای تداخل موثر با عملکرد سیستم صورت می‌گیرد.

1-6-1- مگنترون‌های Frequency Agile شرکت Litton

 

Product Number	Band	Frequency GHz	Agility Rate Hz	Agility  Range MHz	Peak Power Kw	Duty Cycle
L-4771	X	9.05	25	215	200	0.001
L-4736	X	9.1-9.5	75	30	75	0.001
L-4683	X	9.35	0	250	250	0.001
L-4798	X	9.375	75	40	100	0.001
L-4799	X	9.375	75	40	100	0.001
L-4528	Ku	15.60	0	100	100	0.001
L-4752 B	Ku	16.85	60	80	50	0.0007
L-4525	Ku	16.20	0	250	75	0.0008
L-4770	Ku	16.0-17.0	200	25	55	0.0010
L-4754	Ku	16.0-17.0	200	25	55	0.001
L-4527	Ku	16.50	0	300	65	0.0007

 

 

1-6-2-مگنترون‌های Frequency Agile شرکت TMD

 

Duty Cycle Max	Tuning Range MKZ	پیک قدرت KW	فرکانس GHZ
0015/0	450	100	5/9-5/8
0013/0	450	200	2/9-5/8
0013/0	450	200	4/9-7/8
0013/0	450	200	5/9-7/8
0011/0	100	80	5/9-9/8
0015/0	450	100	5/9-9
0015/0	450	100	5/9-9
0015/0	450	100	3/9-1/9
0013/0	200	70	17-16
0012/0	*	80	باند Ku

 

1-7-VANE AND STRAP

با برگشت به جنگ جهانی دوم مدار Vane and strap اولین مدار مگنترون مدرن آن روز بود. Vane and strap تعامل بعدی ترتیب حفره و شیار (hole and slot) بود که کارآیی کمتری داشت و از مشکلات ناپایداری مد صدمه می‌دید.

مگنترون Vene and strap همانطور که از اسمش برمی‌آید، عمل انتخاب مدش را با بستن یا وصل کردن پره‌های متناوب با تکه سیم‌های دایروی شکل که نوار[9] نامیده می‌شوند انجام می‌دهد. ساختار رزوناتور شبیه بسیاری از مدارهای رزوناتور نیم‌موج دارای مدهای نوسانی چندگانه است.

 

1-7-1-مگنترون‌های Vane and strap شرکت Litton

 

Product Number	Band	Frequency GHz	Peak Power Kw	Duty Cycle
L-3858	S	2.45	2.5	CONTINUOUS
L-4933	S	2.72	480	0
L-4932	S	2.76	480	0.0007
L-4931	S	2.8	480	0.0007
L-4919	S	2.805	4500	0.001
L-4830	S	2.84	480	0.0007
L-4939	S	2.88	480	0.0007
L-4928	S	2.9-3.1	1000	0.001
L-4678	C	3.9-4.1	350	0.001
L-4620	C	4.5-5.1	250	0.00125
L-4727	C	5.4	85	0.0012
7158 B	C	5.45-5.825	250	0.0006
6344 A	C	5.45-5.25	176	0.00085
L-5080	C	5.45-5.825	250	0.001
7156 A	C	5.45-5.825	228	0.0009
L-4701	C	6.8-7.3	300	0.001
L-3108 A	X	8.5-9.6	65	0.001
6543	X	8.5-9.6	65	0.001
6543 A	X	8.5-9.6	85	0.001
L-4193 A	X	8.5-9.6	200	0.001

 

1-8-Rising sun

مدار Rising sun نام خود را از ظاهر مقطع رزوناتور گرفته است. رزوناتورها متناوباً با یک قطر مشترک داخلی بزرگ و کوچک می‌شوند. این ساختار از طراحی الکتریکی یک سیستم رزوناتوری دوگانه کوپل شده منتج می‌شوند.

اگرچه ساختارهای Rising sun 40 قدمت دارند اما به اندازه مگنترون‌های کواکسیالی و Vane and strap موردتوجه نیستند چون در باندهای میلیمتری تقاضا زیاد نیست. ساختارهای Rising sun هزینه کمی نسبت به مدار Vane and Strap در GHZ 100 دارند. Q این مدار نسبتاً کم است.

1-8-1-مگنترون‌های Rising sun شرکت Litton

Product Number	Band	Frequency GHz	Peak Power Kw	Duty Cycle
L-4154 B	Ka	24.25	40	0.0003
L-4054 A	Ka	34.85	88	0.0008
	Ka	34.85	124	0.0004
L-4064 E	Ka	34.85	125	0.0004
L-4516 A	Ka	34.7-34.93	70	0.0007
	Ka	34.7-34.93	125	0.0003

 

1-9-Injection – Locked

مگنترون‌های Injectipn – Locked به عنوان جانشین عملی برای TWTها و کلایسترون‌ها در کاربردهایی که انسجام مورد نیاز است عمل می‌کنند.

این مگنترون‌ها از نظر هزینه نسبت به لامپ‌های TWT موثرترند. علاوه بر این ترکیب نادر اندازه فشرده و کارایی خوب هم از مزایای این مگنترون‌ها است.

مفهوم Injectipn – Locked  نسبتاً ساده است. یک سینگنال با سطح کم به طور مستقیم به مدار رزوناس یک اسیلاتور پرقدرت Free running داده می‌شود.

اگر فرکانس منبع به اندازه کافی به فرکانس Free running اسیلاتور نزدیک باشد و دامنه سیگنال به اندازه کافی باشد وسیله پرقدرت در یک پهنای باند معین دارای پایداری فرکانس و فازی می‌شود. در مورد یک مگنترون Injectipn – Locked  انرژی از طریق یک سیر کولاتور به داخل آند کوچک می‌شود.

 

1-10-مگنترون‌های Beacon

مگنترون‌های Beacon (مگنترون‌های قراردادی مینیاتوری) پیک قدرت خروجی KW 5/3 را تولید می‌کنند، در حالیکه وزن آنها از 2 پوند است. این وسایل برای استفاده در جاهایی که منابع خیلی فشرده ولتاژ کم‌قدرت پالسی نیاز است ایده‌آل هستند. نظیر هواپیمایی، موشک، ماهواره یا سیستم‌های Doppler . بیشتر مگنترون‌های Beacon شیفت فرکانسی ناچیزی دارند و کارایی با طول عمر زیاد در سخت‌ترین شرایط محیطی و دمایی از خود نشان می‌دهند.

 

1-10-1-مگنترون‌های Beacon شرکت Litton

 

Product Number	Band	Frequency GHz	Peak Power Watts	Duty Cycle
L-4850	C	4.4-4.8	900	0.002
L-4846	C	5.4-5.9	350	0.002
L-4847	C	5.4-5.9	540	0.000
L-4844	C	5.4-5.9	600	0.002
L-4848	C	5.4-5.9	600	0.002
L-4855	C	5.4-5.9	600	0.001
L-4841	C	5.4-5.9	900	0.001
L-4854	C	5.4-5.9	900	0.001
L-4851	C	5.4-5.9	1500	0.000
L-4843	C	5.4-5.9	4500	0.001
L-4832	X	8.8-9.5	400	0.000
L-4834	X	8.8-9.5	475	0.000
L-4839	X	8.8-9.5	400	0.001
L-4833	X	8.8-9.5	700	0.000
L-4831	X	8.8-9.5	500	0.001
L-4837	X	9.2-9.55	560	0.002
L-4766	Ku	16.2-16.3	560	0.000

 

 

 

 

1-11-CFA (Cross Field Amplifier)

تقویت‌کننده با میدان متقاطع (CFA) پیامد وجود مگنترون است. می‌توان CFAها را براسا مد عملکردشان به صورت انواع موج جلو‌رونده و موج و موج‌عقب‌رونده گروه‌بندی کرد و یا براساس منبع جریان الکترونی آنها به صورت انواع emitting sole یا injected-beam طبقه‌بندی کرد. گروه اول به جهت فاز و سرعت گروه انرژی در مدار مایکروویوی مربوط است. چون جریان الکترون به نیروهای میدان الکترونی RF واکنش می‌دهد. رفتار سرعت فاز با فرکانس اولین موضوع مورد علاقه است. گروه دوم بر روشی که با آن الکترون‌ها به ناحیه اندرکنش می‌رسند و چگونه کنترل می‌شوند تاکید می‌کند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

در مورد موج پیشرو، اغلب ساختار موج آهسته نوع مارپیچی به عنوان مدار مایکروویوی برای تقویت‌کننده با میدان متقاطع انتخاب می‌شود. در مورد موج عقب‌رونده خط Strap یک انتخاب رضایت‌مندانه را نمایش می‌دهد.

1-11-1-اصول عملکرد

در لامپ emitting-sole در پاسخ به نیروهای میدان الکتریکی در فضای بین کاتد و آند جریان از کاتد خارج می‌شود. مقدار جریان تابعی از ابعاد، ولتاژ اعمالی و خواص ساطع شدن از کاتد می‌باشد. در لامپ injected-beam پرتو الکترونی در یک تفنگ جداگانه تولید می‌شود و به داخل ناحیه اندرکنش تزریق می‌شود.

شکل‌های اندرکنش مدار- پرتو در لامپ‌های emitting-sole و injected-beam مشابه هستند. الکترون‌های فازی مطلوب به طرف آند که به طور مثبت پلاریزه شده ادامه مسیر می‌دهند تا سرانجام جذب شوند. در حالیکه الکترون‌های فازی غیرمطلوب به طرف الکترود منفی پلاریزه شده حرکت می‌کنند.

در اندرکنش پرتو خطی همانطور که در لامپ‌های TWT بیان کردیم جریان الکترون ابتدا توسط یک تفنگ الکتریکی شتاب می‌گیرند تا به سرعت dc کامل برسند. سرعت dc تقریباً برابر سرعت فازی محوری میدان RF در ساختار موج آهسته است. بعد از اینکه کنش‌اندرکنش رخ داد، الکترون باقی‌مانده با یک سرعت با متوسط کم ناحیه اندرکنش را ترک می‌کند. تفاوت سرعت، انرژی RF تولید شده از مدار ماکروویوی را توجیه می‌کند. در CFA الکترون در معرض نیروی میدان الکتریکی، نیروی میدان مغناطیسی و نیروی میدان الکتریکی میدان RF ، حتی در معرض نیروی بار دیگر الکترون‌ها قرار می‌گیرد. آخرین نیرو به دلیل پیچیدگی معمولاً در مطالعات آنالیتیک در نظر گرفته نمی‌شود.

تحت‌تأثیر سه نیرو، الکترون در مسیر حلزونی در جهت‌های هم پتانسیل حرکت می‌کند. شکل زیر طرح جریان الکترونی در CFA را با تکنیک‌های کامپیوتری نشان می‌دهد.

 

تقویت‌کننده با میدان متقاطع CFA با بهره قدرت کم یا متوسط، پهنای باند متوسط، راندمان بالا، تقویت‌کنندگی اشباع شده، اندازه کوچک و وزن کم مشخص می‌شود. این خواص باعث می‌شوند ک از CFA در سیستم‌های الکترونیکی بسیاری از مخابرات فضایی با قدرت کم و قابلیت اطمینان بالا گرفته تا رادار پالسی همزمان با قدرت متوسط بالا در حد چند مگاوات استفاده می‌شود.

 

 

1-12- CFA های شرکت Litton

پهنای باند %	راندمان %	Nominal Gain dB	Duty cycle	پیک قدرت KW	فرکانس GHZ
55	5/6	5/13	032/0	100	35/1-25/1
42	7/6	7/12	0024/0	550	35/1-25/1
54	2/6	2/11	001/0	5300	35/1-28/1
44	5/6	10	005/0	150	باند L
49	5/6	10	004/0	1250	باند L
60	7/6	16	028/0	60	1/3-9/2
45	7/6	16	028/0	60	1/3-9/2
42	7/6	7/9	003/0	140	1/3-9/2
60	7/6	7/10	0125/0/025/0	2200/525	1/3-9/2
60	7/6	11	0148/0	666	1/3-9/2
66	7/6	11	150/0	666	1/3-9/2
60	7/6	7	0056/0	2200	1/3-9/2
60	7/6	7	0053/0	2600	1/3-9/2
40	13	14	016/0	125	51/3-99/3
50	7/12	10	025/0	1200	51/3-09/3
40	1/12	16	125	125	5/3-1/3
56	10	10	500	500	5755-5255
60	10	7/2/10	1250/630	1250/630	9/5-4/5
45	½	14	300	300	2/9-9
45	1/3	5/13	100	100	9800-9500
39	1/5	12	500	500	10-5/9

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم :

لامپ با پرتو خطی (O-Type)

 

مقدمه

در یک لامپ با پرتو خطی یک میدان مغناطیسی که محور ان بر محور پرتو الکترونی منطبق است برای اینکه پرتو را هنگامیکه طول لامپ را می پیماید به هم پیوسته حفظ کند به کاربرده می شود. در این لامپ ها الکترون ها قبل از اینکه ناحیه اندر کنش مایکروویوی برسند انرژی پتانسیل را از پرتو ولتاژ DC دریافت می کنند و این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. در ناحیه اندر کنش مایکروویوی الکترون ها توسط میدان مایکرووی یا شتاب می گیرند یا حرکتشان کند می شود و سپس در حالیکه به انتهای لامپ رانده می شوند یک دسته می شوند. الکترون‏های دسته شده به ترتیب جریانی را در ساختار خروجی القا می کنند. الکترون ها سپس انرژی جنبشی خود را به میدان‏های مایکروویوی می دهند و توسط کلکتور جمع می شوند. لامپهای با پرتو خطی برای تقویت کنندگی مناسب هستند. در حال حاضر تقویت کننده‏های کلایسترون و TWT می توانند پیک قدرت خروجی تا 30MW را در فرکانس 10GHZ و ولتاژ 100KV فراهم کنند. قدرت خروجی متوسط تا 700KW می رسد. بهمراه این لامپ ها از 30 تا 70 متغیر است و راندمان آن از 15 تا 60 در صورت پهنای باند کلایسترون 1 تا 8 درصد و در مورد TWT از 10 تا 15 درصد می باشد.

 

2-1-کلایسترون‏ها

کلایسترونها لامپهای با پرتو خطی هستند با چندین حفره رزوناس که باتیوپهای drrift نازک از هم جدا شده اند. قطر این تیوبها بسیار کمتر از یک طول موج است بنابراین هیچ کوپلینگ بین حفره‏ای وجود ندارد. حفره ورودی به سیگنالی که تقویت می شود متصل می شود و حفره خروجی به بار متصل است.

کلایسترونها لامپهای بینهایت محکمی هستند. برخی مدلها قدرت متوسط بزرگ و موج پیوسته با راندمان خیلی بالا تولید می کنند. به عنوان مثال در موج پیوسته قدرت 1300KW در فرکانس 350MHZ و قدرت 600KW در فرکانس 3.7GHZ انواع دیگر کلایسترونها پیک قدرت بسیاری بالایی دارند. 45MW برای  4/5 یا MW150 برای  1 بهره عموماً حدود 45 تا dB50 است.

پرتو الکترونی توسط میدان الکترو مغناطیسی متمرکز می شود. کلکتورها در دو مرحله موثر سرد می شوند(مایع بخار) یک پمپ یونی بهترین خلا نیاز برای عمر طولانی لامپ را فراهم کند. این کلایسترونها در شمار زیادی از وسایل غیر نظامی و نظامی به کار برده می شود. چون این لامپها قادرند پهنای باند بزرگی که در برخی موارد بزرگتر از 10 درصد است ارائه دهند.

کلایسترون دو حفره ای (Two-Cavity) تقویت کننده مایکروویوی است که به طور وسیعی به کاربرده می شود و بر اساس اصول مدولاسیون سرعت و جریان کار می‌کند. همه الکترونهایی که از کاتد وارد شده اند با سرعت یکنواخت به اولین حفره می رسند. الکترون هایی که از اولین شکاف حفره در ولتاژ شکاف صفر (یا ولتاژ سیگنال صفر) عبور می کنند از حفره بدون تغییر سرعت عبور می کنند. الکترون هایی که در نیم سیکل مثبت ولتاژ شکاف عبور می کنند دستخوش افزایش سرعت می شوند. الکترونهایی که در نیم سیکل های منفی ولتاژ شکاف عبور می کنند به کاهش سرعت تن در میدهند در نتیجه این رفتارها، الکترونها به تدریج در حالیکه به طرف انتهای فضای drift حرکت می کنند دسته می شوند تغییر سرعت الکترون درفضای drift مدولاسیون سرعت نامیده می شود. چگالی الکترون ها در حفره دوم به طور متناوب با زمان تغییر می‌کند.

پرتو الکترونی شامل یا جزء ac می شود و این طور نامیده می شود که مدولاسیون جریان صورت گرفته است.

حداکثر دسته شدن باید در طی کند کردن فاز آن تقریباً در نیمه راه بین شبکه های حفره دوم صورت گیرد بنابراین انرژی جنبشی از الکترون ها به میدان حفره دوم انتقال می‏یابد.

سپس الکترون ها به سرعت کاهش یافته از حفره دوم خارج می شوند و سرانجام در کلکتور جذب می شوند مشخصات تقویت کننده کلایسترون دو حفره ای به شرح زیر است.

1-راندمان حدود 40 درصد 2-قدرت خروجی: در فرکانس 10GHZ قدرت متوسط (موج پیوسته CW) تا 500KW و برای قدرت موج پالسی تا 30MW می رسد)

 

2-1-1- تقویت کننده کلایسترون چند حفره ای (Multi Carity)

بهره قدرت تقویت کننده کلایسترون دو حفره ای حدود C.dB است برای بدست آوردن بهره بالاتر یک راه این است که چندین لامپ دو حفره ای را به صورت Cascade به هم متصل کنیم و خروجی هر کدام از لامپ ها را به ورودی لامپ بعدی وصل کنیم. در کلایسرون چند حفره ای هر کدام از حفره‏های میانی به فاصله پارامتر دسته بندی X ، 84/1 دورتر از حفره قبلی قرار گرفته است که به عنوان دسته کننده عمل می‌کند و به پرتو الکترونی عبوری ولتاژ RF بیشتری نسبت به حفره قبلی القا می‌کند که به نوبت مدولاسیون سرعت را افزایش می دهند.

 

2-1-2- کلایسترون‏های چند پرتوی (MBK)

در کلایسترون های چند پرتوی انتشار جریان که بوسیله بردن چندین کاتد صورت می گیرد (در روسیه معمول است) لامپ MBK مدل روسی برای کاربرد در رادار مناسب است.

این منبع مایکروویوی پیشنهادی بر اساس تمرکز مغناطیسی تناوبی (PPM) است این لامپ ها به دلیل اقتصادی باید با مغناطیس‏های دائمی متمرکز شوند. به عنوان مثال یک GMBK ده پرتوی شامل ده پرتو است که از 4 حفره عمومی و ده حفره هارمونیکی ثانوی تکی که راندمان را افزایش می دهند عبور می‌کند.

قدرت خروجی2GW	فرکانس1GHZ	جریان 6700A
طول پالسی1Ny	ولتاژ 600KV	بهره 30dB	راندمان 50%

 

چون دستگاه در یک فرکانس ثابت کار خواهد کرد نیازی به منبع جداگانه برای به کار انداختن آن نیاز در عوض از حفره سوم برای تحریک حفره اول استفاده می شود و لامپ رادار به نوسان کردن می شود.

 

 

 

2-2- لامپ موج رونده ( TWT )

از سالهای دهه 1960 این طور پیش بینی می شد که وسایل Solid – state مایکروویوی جایگزین لامپهای TWT خواهند شد . اما این جایگزینی فقط در سیستمهای الکترونیکی کم قدرت رخ داد .

لامپهای قدرت مایکروویوی همچنان به عنوان تنها انتخاب برای فرستنده های پر قدرت هستند و انتظار می رود که این موقعیت را همچنان حفظ کنند . تکنیکهای مایکروویوی به طور فزاینده ای با بسیاری از سیستم های الکترونیکی تطبیق شده است . نظیر سیستمهای رادار هوایی ، دفاع نظامی فضایی سیستمهای هدایت موشک و سیستمهای مخابرات فضایی .

لامپ موج رونده ( TWT ) یک لامپ الکترونیکی است که برای تقویت کنندگی در فرکانسهای مایکروویوی ـ که عموماً به صورت فرکانسهای بین MHZ 500 و GHZ 300 یا طول موجهای از cm 30 تا mm 1 شناخته می شوند ـ به کار می رود . قابلیت تولید قدرت از چند وات تا چند کیلو وات تغییر می کند . برای helix TWT پهنای باند ممکن است به بزرگی 2 اکتا و یا بیشتر باشد و سطوح قدرت از ده ها وات تا صد وات برسد . برای Couplel Cavity TWT پهنای باندها در محدوده %20 – 10 معمول هستند و سطوح قدرت در سطوح مگاوات است .

کاربردهای TWT ها متغیر است . TWT به عنوان تقویت کننده نهایی در تقریباً همه ماهواره های مخابراتی به کار می رود . در بسیاری از سیستمهای رادار تعداد یک یا بیشتر TWT به عنوان تقویت کننده پر قدرت که پالس RF ارسالی را تولید می کند که به کار برده می شوند . در موارد دیگر ممکن است یک TWT به عنوان درایور برای بعضی از تقویت کننده های RF پر قدرت دیگر نظیر تقویت کننده میدان متقاطع ( CFA )‌ به کار برده می شود .

مشکل است که دوران امروز تکنولوژی مایکروویوی را بدون TWT و تقویت کننده TWT  (‌ TWTA )‌ متصور می شویم . هیچ وسیله دیگری نمی تواند ترکیب پهنای باند ، قدرت خروجی و بهره را با هم مثل TWT تطبیق دهد . برای الکترونیکی ، اکتشاف فضا ، تقویت سیگنالهای video ـ home ، TWT افق مایکروویوی را گسترش داده است .

 

2-2-1- تاریخچه TWT

تاریخچه تکنولوژی مایکروویوی ، تاریخچه ای از پیشرفتهای پیاپی در تکنولوژی های به کار برده شده برای تولید ، تقویت و پردازش سیگنالها در فرکانسهای مایکرووی است . عمل کردن در آستانه ناحیه مایکروویوی بوسیله تریودهایی1 که ساختار بخصوصی برای مینیمم کردن اثرات زمان عبور2 دارند فراهم شد . این کار تریود توسط مگنترون و دیگر ادوات میدان متقاطع3 ادامه یافت و سپس توسط کلایسترون دنبال شد . امروزه نیز TWT این راه ر ا ادامه می دهد .

TWT یک وسیله جدید نیست . قابل توجه است که قابلیتها و برخی کاربردهای بالقوه آن نزدیک 60 سال شناخته شده بوده است . TWT در طی اواخر جنگ جهانی دوم توسط مهاجری استرالیایی دکتر Rudolf Kompfner هنگامی که برای نیروی دریایی بریتانیا4 روی لامپهای مایکروویوی کار می کرد اختراع شد .

TWT در طی جنگ استفاده نشد و به عنوان یک وسیله تحقیقاتی آزمایشگاهی باقی ماند تا اینکه اولین لامپ عملی توسط J.R.Pirerce ، L.M.Field در آزمایشگاههای تلفن بل1 (‌ BTL )‌ در سال 1945 توسعه یافت . نتایج اولیه در IRE Transactions در فوریه 1947 چاپ شد .

در این بین سرویسهای نظامی کاربردهای بالقوه ای در ذهن داشتند نظیر رادار و  ECM2  .

توسعه رادار در طی جنگ جهانی دوم به سرعت با توسعه تکنیکها ECM برای فریب دادن و پارازیت دادن به رادار دنبال شد . بسیاری از این تکنولوژی های پیشرفته در Aircraft Hughes Company انجام شد . در اواخر سالهای دهه 1950 در حالیکه مطمئن بودند که در آینده TWT جزء کلیدی تعدادی از کاربردها خواهند بود گروه کوچکی از دانشمندان ، مهندسان و تکنسینهای مجرب که در تحقیقات TWT شرکت کردند این شرکت به یک تشکیلات تبدیل شد . این تشکیلات بعداً (‌ EDD ) Electron Dynamic Devices نامیده شد و شهرتی تثبیت شده به عنوان رهبر توسعه و تولید TWT های نظامی و تجاری و TWTA ها و زیر سیستمهای وابسته دارد .

علاوه بر کاربردهای راداری ، برخی از موفقیتهای TWT های Hughes ، کاربردهای فضایی بود .

TWT های فضایی Hughes در تحقیقات علمی و کاربردهای مخابراتی به کار برده می شوند .

 

2-2-2- اجزای یک TWT

همه TWT ها دارای چهار قسمت اصلی هستند .

• تفنگ الکترونی که پرتو الکترونی پر تراکم تولید می کند .
• مدار مایکروویوی موج آهسته1 که انرژی الکترو مغناطیسی موج رونده را که با آن پرتو الکترونی می تواند اندرکنش کند پشتیبانی می کند .
• کلکتور که پرتو الکترونی باقی مانده را که از مدار موج آهسته بوجود می آید جمع می کند .
• جعبه TWT که نقاط اتصال به سیستم مورد استفاده را فراهم می کند ، TWT را به خاطر قدرت هدر رفته در آن سرد می کند . و در بعضی موارد یا قسمتی از ساختار تمرکز پرتو را احاطه می کند .

طراحی TWT از نیازمندیهایی برای فراهم کردن مقادیر معین بهره و قدرت در یک باند فرکانس معین سرچشمه می گیرد . طراحی نهایی TWT معمولاً از یک آنالیز مقایسه ای منتج می شود که این آنالیز شامل ملاحظاتی است که شامل منبع تغذیه (‌ power supply )‌ و اتصال TWT و سیستم به کار رفته می باشد . این ملاحظات منجر به بده بستانهایی می شود که بر هر یک از زیر قسمتهای اصلی TWT اثر می گذارد . این ملاحظات به شرح زیر هستند :

• نوع مدار موج آهسته به کار برده شده در مواجهه با نیازمندیهای قدرت و پهنای باند شامل انتخاب ولتاژ و جریان کاتد به کار برده شده در مواجهه با آن نیازمندیها .

مهم است که متذکر شویم که اندازه دمای بالاتر و قابلیت قدرت خروجی بزرگتر از مقدار فراهم از TWT های که مدار helix دارند باعث می شود که اندازه و وزن افزایش یابد .

• روش به کار گرفته شده برای متمرکز کردن پرتو الکترونی
• روش به کار رفته برای تغییر جریان پرتو شامل روش به کار رفته برای روشن و خاموش کردن TWT و هر مدولاسیون مورد نیاز در طی عملکرد TWT .
• نیازمندیهای طول عمر کاری .
• شرایط محیطی که تحت آن TWT کار خواهد کرد . ( فشار محیط ، دمای محیط ،‌ سطوح شوک و ارتعاش و غیره )
• نوع سرمازایی
• محدودیتهای اندازه و وزن
• هزینه

 

2-2-3- اساس عملکرد TWT

به خاطر اینکه مفاهیم آشنایی تئوریک مدار در فرکانسهای مایکروویوی پاسخگو نمی باشد لازم است که شرح دادن میدانهای الکتریکی و مغناطیسی که در امواج الکترومغناطیسی وجود دارند از تئوری الکترومغناطیسی استفاده شود . ریزموجها1 بسیاری از خواص نور مرئی را از خود نشان می دهند : 1) این امواج در راستای مستقیم با سرعت نور حرکت می کنند و فقط به مقدار اندکی توسط اتمسفر زمین منکسر می شوند و 2) این امواج می توانند به صورت پرتوهای باریک متمرکز شوند که این پرتوها وقتی به یک سطح هادی برخورد می کنند به طور کامل منعکس می شوند . این خواص باعث می شوند که ریز موج برای رادار و سیستمهای مخابراتی مفید هستند . از زمان اختراع TWT شکل اصلی آن کم تغییر کرده است ، اگر چه کاربرد این ابزار امروزه بسیار بهتر است .

تقویت کنندگی TWT با فرستادن یک موج RF الکترومغناطیسی به داخل یک ساختار منتشر کننده که در مجاورت یک پرتو الکترونی قرار دارد بدست می آید .

 

در سمت چپ شکل بالا یک تفنگ الکترونی وجود دارد . وقتی کاتد گرم می شود یک جریان الکترونی پیوسته ساتع می کند . این الکترونها به یک دهانه در آند کشیده می شوند و سپس توسط یک میدان مغناطیسی به صورت یک پرتو دیواره استوانه ای متمرکز می شوند . بدین طریق پرتو در داخل ساختار موج آهسته حرکت می کند1 . سرانجام الکترونها جمع شده و انرژی جنبشی آنها به شکل گرما در کلکتور تلف می شود .

در همین زمان که پرتو الکترونی استوانه ای شکل در طول محور لامپ حرکت می کند . سیگنال RF برای تقویت شدن به داخل ساختار موج آهسته که در این مورد سیم مارپیچی که helix نامیده می شود ،‌ است تغذیه می شود . انرژی RF در طول سیم helix با سرعت نور حرکت می کند . با این وجود ، به دلیل مسیر مارپیچی انرژی را که در طول محور لامپ با سرعتی به طور چشمگیر کمتر پیش می رود می توان به طور مقدماتی با محیط و قطر helix تعیین کرد .

سرعت فاز موج RF (‌ سرعتی که به نظر می رسد با آن جبهه فاز انرژی در طول لامپ حرکت می کند )‌ کمی آهسته تر از سرعت پرتو الکترونی است . این سنکرونیسم نزدیک از اندرکنش پیوسته بین پرتو الکترونی و سیگنال RF منتج می شوند . برخی از الکترونها در پرتو توسط میدان RF آهسته می شوند در حالیکه دیگر الکترونها شتاب می گیرند .

همانطور که الکترونهایی که مدولاسیون سرعت شده اند از helix پایین می روند دسته هایی را شکل می دهند . این دسته ها به نوبت سبقت می گیرند و با موج RF آهسته تر helix اندرکنش می کنند و انرژی جنبشی را به موج در helix تحویل می دهند . نتیجه این کار تقویت فزاینده سیگنال RF است . TWT های تکی با بهره قدرتی بیشتر از 1000000 (‌ dB 70 )‌ ساخته شده اند .

 

2-2-4- کنترل پرتو

تفنگ الکترونی تا اندازه ای شبیه لنز پروژکتور عمل می کند . هدف بدست آوردن جریان الکتورنی هر چه بیشتر در حد امکان است که در داخل پرتو متمرکز شده بدون اعوجاج جاری می شوند . طراحی خوب تفنگ بینهایت مهم است چون تفنگ منبع الکترونهای پرتو است . بسیاری از تفنگهای TWT همچنین شامل شبکه های کنترل یا الکترودهای کنترل هستند که اینها پرتو الکترونی را به سرعت شروع یا قطع می کنند . مدولاسیون پرتو ولتاژ بسیار کمتری نیاز دارد نسبت به اینکه تنها ولتاژ کاتد مدوله شود .

تفنگ با شبکه کنترل شش قسمت اصلی دارد :

• بدنه تفنگ یا ساختار حمایت کننده که معمولاً سرامیک یا سرامیک با فاز لحیم شده است .
• گرم کننده
• کاتد یا فرستنده الکترون
• شبکه کنترل
• الکترود کانونی برای کمک به تشکیل درست پرتو الکترونی
• آند که به طور مؤثرتری میدان شتاب دهنده الکترونها را فراهم می کند .

 

طول عمر و قابلیت اعتماد تولیدات به مقدار زیادی وابسته به طراحی و نوع ماده به کار رفته در کاتد است . انواع مختلفی از مواد کاتدی به عنوان ساتع کننده های الکترون به کار برده می شوند . اما عموماً دو نوع استاندارد دارند . اولین ماده یک نوع اکسید است که از نیکل و روکش باریوم / استرانسیوم تشکیل شده است . نوع دوم نوع پخش کننده است که یک بدنه که از ماده تنگستن منفذدار تشکیل شده است با مخلوط باریم ، کلسیم و ترکیبات آلومینیوم پر شده است .

مواد پر شده به سطح ساتع شدن می روند ،‌باریم و دیگر مواد فعال پخش می شوند تا ماده ای که در طول عملیات تبخیر از دست رفته است دوباره تکمیل شود .

 

2-2-5-تغییر در ساختار موج آهسته1

اگر چه انواع زیادی ساختار موج آهسته وجود دارد بیشترشان بر پایه طراحی اصلی helix توسط komphner می باشد . Helix هنوز بر پهنای باندترین ساختار در دسترس است .

 

 

2-2-6- لامپهای Coupled – Cavity TWT

ساختار Coupled – Cavity TWT که در بالا نشان داده شد ، زوج حفره های رزونانسی را برای آهسته کردن مؤثر انرژی RF به کار می برد . ساختارهای Coupled – Cavity اصلی پهنای باندهای فرکانسی 10 تا 15 درصد را فراهم می کند . روشهایی برای افزایش پهنای باند 40 درصد و بیشتر بوجود آمده است . TWT هایی که از این مدار استفاده می کنند چند صد کیلو وات پیک قدرت در باند S تا باند Ku با بهره dB 60 تولید می کنند .

 

2-2-6-1- توصیف فیزیکی

کلمه Coupled – Cavity به این معناست که عمل Coupling با یک شیار بلند که قویاً موج مغناطیسی را در حفره های کناری کوپل می کند انجام می شود ، به طوریکه باند عبور مدار اساساً تابعی از یک متغیر است . شکل زیر دو مدار Coupled Cavity را نشان می دهد که بیشتر در لامپهای TWT مورد استفاده قرار می گیرند .

 

 

 

 

 

 

 

دو نوع مدار Coupled – Cavity در TWT ها وجود دارد . نوع اول شامل مدارهای Forward – wave است که به طور طبیعی برای کاربردهای پالسی که حداقل نیم مگاوات پیک قدرت نیاز است به کار برده می شود . این مدارهای Coupled – Cavity اندوکتانس کوپلینگ متقابل منفی در بین حفره ها از خود نشان می دهند و نوع دوم اولین مدار Space – harmonic است که کوپلینگ متقابل بین حفره ها مثبت است این مدارها با اولین هارمونیک فاصله ای کار می کنند و عموماً برای کاربردهای پالسی یا موج پیوسته ( cw )‌ با قدرت خروجی از یک تا چند صد کیلو وات استفاده می شود .

 

2-2-6-2-اصول کار Coupled – Cavity TWT

Coupled – Cavity مشخصه اش مثل فیلتر میان گذر است . وقتی که زاویه شیار    (  ) بزرگتر از 180 شود باند عبور به حدود عملی خود نزدیکتر می شود .

لامپ drift توسط قسمت reentrant حفره تشکیل می شود همانطور که در مورد کلایسترون داشتیم در طی اندرکنش میدان RF و پرتو الکترونی در TWT تغییر فازی بین حفره ها اتفاق می افتد که به صورت تابعی از فرکانس است . اگر اندوکتانس متقابل شیار کوپلینگ مثبت باشد مشخصه فاز کاهش می یابد در حالیکه اگر اندوکتانس کوپلینگ متقابل شیار منفی باشد مشخصه فاز افزایش می یابد .

 

 

 

2-2-6-3-تولید Coupled – Cavity TWT های جدید

 

Coupled – Cavity TWT راه حل تکنولوژیکی ایده آل برای سیستمهایی است که به پیک  قدرت و قدرت متوسط RF در پهنای باند 5 تا 10% نیاز دارند . این نوع تقویت کننده RF در اغلب رادارهای سطح زمین و هوایی و همچنین در سیستمهای مخابرات موج میلیمتری پر قدرت مورد نیاز است . بر اساس اینکه فرکانس کار و محدوده قدرت چه مقدار است انواع مختلفی از ساختارهای RF ، %100 فلزی به کار برده می شود .

تولیدات TED 1 طیف فرکانسی از GHZ 3 ( باند S ) تا GHZ 94 (‌ باند W )‌ را پوشش می دهند . در مد عمل پالسی برای کاربردهای راداری لامپهای شرکت TED به قدرت MW 1 و قدرت متوسط KW 20 در باند S ، پیک قدرت KW 1 و قدرت متوسط W 300 در باند Ka و پیک قدرت KW 1 و قدرت میانگین W 10 در باند W رسیده است . پهنای باند از 2 تا 12% تغییر می کند . برای موج پیوسته (‌ کاربرد مخابراتی )‌ شرکت TED تقویت کننده هایی تولید کرده است که در باند Q ( GHZ 5/43 تا 5/45 ) 250 تا 400 وات قدرت دارد . Coupled – Cavity TWT ساختار بی نهایت نیرومندی دارد که نشان از قابلیت اطمینان فوق العاده حتی در شدیدترین محیطهای مکانیکی و آب و هوایی است . به عنوان مثال لامپهای شرکت TED در رادارهای Mirago 2000 ، جنگنده های Refale ، EFA ، سیستمهای دفاع هوایی Arabel  و Goalkeeper روی ناوهای محافظ2 و ناوهای هواپیمابر و جوینده ها در باند Ka ، Ku برای موشکها مورد استفاده قرار گرفته است .

 

2-2-6-3-1- Coupled – Cavity TWT های شرکت TMD3

 

فرکانس         پیک قدرت    Duty cycle     حداقل بهره

GHZ             KW            Max             dB

 

 

1/3 – 7/2          50           023/0         50    Cooking )        Forced Air )

1/3 – 7/2          125         037/0          50                 ( Liquid Cooling  )

9/5 – 4/5          50           02/0            50                 ( Liquid Cooking )

8/9 – 6/9          50           01/0            50                ( Liquid Cooking  )

9/9 – 6/9          15           02/0            56          (‌ Forced Air Cooking )

 

 

2-2-6-3-2- Coupled – Cavity TWT های شرکت TED

 

باند            فرکانس            پیک قدرت          بهره اشباع حداقل

GHZ         خروجی حداقل                 dB              Duty cycle                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              KW

 

X           5/9 – 9/8                30                      58                      0084/0

X              2/9 – 9                30                     60                       0084/0

بندی شده          بندی شده                                          بندی شده

X         مشخصات طبقه     مشخصات طبقه              46               مشخصات طبقه

 X           6/9 – 5/8              100                   52                        033/0

Ka          36 – 34                9/0                   40                          12/0

 

2-2-6-3-3- Coupled – Cavity TWT های شرکت Litton

CC TWT های شرکت Litton شامل لامپهای پالسی و موج پیوسته می شوند که قادرند تا چندین کیلو وات قدرت مایکروویوی برای رادار تقویت کنند .

CC TWT های این شرکت هم اکنون در کاربردهای هوایی ، دریایی و زمینی شامل ، F15 ، F14 ، GPN – 22 ، P-3 ، S – 3 ، B – IB ، F16 مورد استفاده قرار      می گیرند .

 

محدوده فرکانسی                          تا GHZ 20

پهنای باندهای گسسته                     %2 تا %50

قدرت خروجی                  KW 1 تا KW 200

 

 

فرکانس                 حداقل پیک قدرت            Duty cycle                بهره اشباع

GHZ                            KW                         Max %                       dB

 

3/9 – 8/8                    5/17                               6/1                        51

1/10 – 5/9                    15                                 5                          47

1/9 – 5/9                       5/1                           50                          35

3/10 – 8/9                     40                              3                          59

2/10 – 9/9                       4                             24                         29

10 – 4/9                        25                            5/1                         50

9/9 – 5/9                       15                            5/3                          57

10 – 4/9                       50                               1                          53

9/9 – 7/9                       20                             5/1                         58

2/10 – 6/9                     20                               6                          57

10 – 4/9                       50                               1                          54

14 – 4/13                      15                              5                           49

7/16 – 2/16                   5/3                              25                         50

9/16 – 1/16                   45                              13/0                       54

 

 

2-2-6-3-4- یکی از تولیدات CC TWT شرکت ‏TMD

 

این لامپ یک تقویت کننده در باند S است . پیک قدرت KW 50 با duty cycle %4/2 و حداقل بهره dB دارد . این لامپ در محدوده فرکانسی MHZ 3050 – 2750 کار می کند .

 

2-2-7- لامپهای Helix TWT

چون Kompfner لامپ مارپیچی را در سال 1944 اختراع کرد مدار اصلی کمی تغییر کرده است . برای کاربردهای باند وسیع ، لامپ مارپیچی تقریباً منحصراً مورد استفاده قرار می گیرد .

قبل از شروع به شرح TWT مناسب است که اصول عملکرد بنیادی TWT و کلایسترون را مقایسه کنیم . در مورد TWT ، مدار مایکروویوی غیر نوسانی است و موج با همان سرعتی که الکترونها در پرتو دارند منتشر می شود . اثر اولیه روی پرتو ، اعمال کم مدولاسیون سرعت است که توسط میدانهای الکتریکی ضعیف که در TWT وجود دارند صورت می گیرد . در حالیکه در کلایسترون این مدولاسیون سرعت بعداً به مدولاسیون جریان تبدیل می شود که سپس جریان RF را در مدار القا می کند که باعث تقویت کنندگی می شود .

در هر حال چند تفاوت مهم بین TWT و کلایسترون وجود دارد :

• اندرکنش پرتو الکترونی و میدان RF در TWT در بقیه طول مدار ثابت است اما اندرکنش در کلایسترون فقط در شکافهای چند حفره رزونانسی اتفاق می افتد .
• موج در TWT یک موج منتشر شونده است اما در کلایسترون این طور نیست .
• در CC TWT یک اثر کوپلینگ1 بین حفره ها وجود دارد در حالیکه هر حفره در کلایسترون به طور مستقل عمل می کند .

Helix شامل یک پرتو الکترونی است و یک ساختار موج آهسته . پرتو الکترونی توسط یک میدان مغناطیسی ثابت که در طول پرتو الکترونی و ساختار موج آهسته اعمال می شود متمرکز می شود .

ساختار موج آهسته یا به صورت خط مارپیچی است یا به صورت خط تا خورده . سیگنال در اطراف دورهای helix منتشر می شوند و یک میدان الکتریکی در مرکز helix  تولید می کنند که در راستای محور helix  است . میدان الکتریکی محوری با سرعتی که بسیار نزدیک به حاصلضرب سرعت نور در نسبت فاصله مارپیچ به محیط دایره آن می باشد پیش می رود . وقتی که الکترونها وارد لامپ مارپیچی می شوند اندرکنشی بین میدان الکتریکی محوری متحرک و الکترونهای در حال حرکت رخ می دهد . به طور متوسط ، الکترونها انرژی را به موج در helix تبدیل می کنند . این اندرکنش باعث می شود که موج سیگنال تحت تأثیر قرار نمی گیرند ، آن الکترونهایی که در میدان تند شونده وارد helix شوند شتاب می گیرند و آنهایی که در میدان کند شونده وارد مارپیچ شوند حرکتشان کند می شود . همانطور که الکترونها بیشتر در طول مارپیچ حرکت می کنند در کلکتور دسته می شوند . عمل دسته شدن فاز را به اندازه / 2 شیفت می دهد . هر الکترون در دسته با یک میدان کاهنده قوی تری روبرو می شود . سپس انرژی مایکروویوی الکترونها توسط دسته الکترون به موج داخل helix تحویل داده می شود . تقویت موج سیگنال انجام شده است .

 

شرکت های سازنده Helix TWT بر پایه تکنولوژی اثبات شده در همه اجزای TWT نیازمندیهای کلیدی این کاربردها را فراهم کرده اند نظیر وزن سبک ، پهنای باند وسیع ، قدرت فراهم در باند ، اعوجاج RF کم ، راندمان بالا ، طول عمر زیاد و قابلیت اعتماد در تحت همه شرایط . در آخرین TWT های فضایی مبادلات گرمایی پیشرفت کرده است بدین وسیله که کلکتورها با استفاده از تابش گرما در فضا سرد می شوند . این لامپها طیف فرکانسی از باند L تا V را پوشش می دهند و در مخابرات سخن پراکنی و ماهواره های مشاهده زمینی و همچنین در فضا به کار برده می شوند .

 

2-2-7-1- Helix TWT های شرکت TED

 

باند              فرکانس      پیک قدرت خروجی           بهره اشباع       Duty cycle

GHZ          min. KW                 min.dB            Max

 

 

S            4/3 – 85/2                6                             47          30/0

S    مشخصات طبقه بندی شده    مشخصات طبقه بندی شده      47             03/0

C         25/5 – 75/4               25/0                           40            CW

C  مشخصات طبقه بندی شده     مشخصات طبقه بندی شده       46            015/0

Ku               17-16                   2                                 56            075/0 ( سرد

شده با مایع )‌

Ku             17-15                    4                                 56           06/0 ( سرد

شده با هدایت )

Ku         16 – 15                   2                               62                  03/0

Ku           18/15                 25/1                             40                   04/0

Ka       35 – 5/33                14/0                            47                   4/0

 

باند                              پیک قدرت

فرکانس      خروجی min.      قدرت متوسط    بهره اشباع    Duty cycle

GHZ         KW                  W           min. dB        %Max

 

 

C           9/5 – 4/5        20                    600             42              3

X         5/10 – 5/8        20                    800             43              4

X          3/10 – 9           8                    400             40               5

X  مشخصات طبقه           5/3                    220              35            25/6

        بندی شده

 

2-2-7-2- Helix TWT های شرکت Litton

2-2-7-2-1- Helix Pulsed TWT

 

فرکانس             قدرت            Duty cycle                      بهره dB

GHZ              KW                     %

 

 

18-5/7             1                        6                                  50

18-5/6           5/1                       6                                   45

5/10 – 5/8        2                        6                                 60

10 – 9                   8                         5                      60

5/16 – 5/7             3/1                       4                      45

10 – 9                   4                         6                      50

13 – 5/12             12                       5/0                    50

18 – 6             W 1000                    5                       40

17 – 16                3                         5                       60

 

2-2-7-2-2- Helix Ring Loop TWT

 

فرکانس               قدرت          Duty cycle                          بهره

GHZ                      KW                        %                                               dB

6/2 – 1/2            20                 01/0                                46

4/9 – 7/8              8                 5/3                                 60

4/1 – 2/1              5                   4                                 50

5/3 – 1/3              2                   4                                 40

 

2-2-7-2-3- Helix Continuous wave TWT

 

 

 

فرکانس                  قدرت                    بهره

GHZ                     W                       dB

 

 

6/3 – 8/1             500                      30

5/7 – 5/2             500                      38

18-5/7                125                     40

18- 5/6              150                      40

 

2-2-8- High Power RING – LOOP TWT

 

تقویت کنندگی           تا چندین کیلو وات

محدوده فرکانسی         از باند D تا J

پیک قدرت               3 تا 20 کیلو وات

Duty cycle            %5/3 تا %15

 

فرکانس             پیک قدرت                 Duty cycle                      بهره

GHZ                 KW                            Max                      Min.dB

 

 

5/9 – 5/8              8                             02/0                         60

6/9 – 5/8              3                             06/0                         60

95/9 – 5/8         75/3                           04/0                         60

6/9 – 6/8              6                            035/0                        60

5/10 – 5/9           3                             065/0                        60

 

2-2-9- Pulsed TWT

فرکانس                  قدرت                       Duty cycle

GHZ                   KW

 

 

2-1                       1                                 4

4-2                     5/1                                 6

8-4                       2                                 6

12-8                  5/1                                 6

18-12                  2                                  6

8/2- 8/0               2/0                           cm – 50

8-2                     2/0                           cm – 50

18-8                   2/0                           cm – 50

5/2-1                   1                                 6

8-2                    5/1                                6

18-5/6               5/1                                6

4/1-2/1                5                                 2

4-3                    10                               5/2

9/9-2/9              40                                2/0

10-9                   4                                10

10-9                   8                                 5

36-33                20                              100

 

2-2-10- TWT  های پر قدرت CRIDDED – CONTROL

لامپهای COUPLED – Cavity موج رونده ادواتی هستند که بیشترین کاربرد را در تقویت کننده های فرکانسهای مایکروویو با بهره بالا ، قدرت بالا ، کارایی بالا و پهنای باند بالا دارند .

TWT های پر قدرت چهار قسمت اصلی دارند : تفنگ الکترونی برای انتشار الکترون ، ساختار موج آهسته برای بر هم کنش مؤثر پرتو ، مدار مغناطیسی برای متمرکز کردن پرتو و ساختار کلکتور برای جمع کردن پرتوهای الکترونی و از بین بردن انرژی گرمایی .

اجرای فیزیکی یک لامپ Coupled Cavity موج رونده شامل یک گسیلگر الکترون ،‌یک شبکه سایه ای ، یک شبکه کنترل ، یک آند مدوله کننده ،‌یک مدار Coupled Cavity ، یک مدار مغناطیسی سلونوئیدی و یک ساختار جمع کننده می باشد .

 

 

 

 

 

 

 

بعد از اینکه الکترون ها از کاتد گسیل می شند به دلیل نیروی دافعه الکترونی ،‌پرتو الکترونی تمایل دارد که پراکنده شود . به عبارت دیگر ،‌ پرتو الکترون باید برای اندرکنش مؤثر با مدار موج آهسته به اندازه کافی کوچک باشد . معمولاً قطر پرتو الکترونی کمتر از یک دهم طول موج سیگنال می باشد . لامپهای پر قدرت Coupled Cavity موج رونده برای کنترل کردن پرتو الکترون از تکنیک شبکه ای سایه ای استفاده می کنند . بنابراین این وسیله لامپ شبکه ای موج رونده یعنی GTWT1 نامیده می شود . همانطور که در شکل نشان داده شده است گسیلگر الکترون GTWT  دو الکترود کنترلی دارد : یک شبکه سایه ای نزدیک کاتد و یک شبکه کنترلی که کمی دورتر از کاتد قرار دارد . شبکه سایه ای که در پتانسیل کاتدی قرار دارد و بین کاتد و شبکه کنترلی قرار گرفته است از انتشار الکترونی از قسمتهایی از کاتد که ممکن است interception در شبکه کنترلی را افزایش دهند جلوگیری می کند . شبکه کنترلی که در پتانسیل مثبت قرار دارد پرتو الکترونی را کنترل می کند . این شبکه ها می توانند قدرت زیاد پرتو را ، بیشتر از آنچه که در حالت دیگر ممکن است کنترل کنند .

 

 

 

 

 

 

به طور عمومی ، یک تکنیک مدولاسیون آندی معمولاً در لامپهای پر قدرت به کار     می رود تا پالس ولتاژ کمتر پرتو ناپایدار را حذف کند و نیازهای قدرت مدولاتور را برای خروجی پالس پر قدرت کاهش دهد . در لامپهای شبکه ای موج رونده مدولاتور با یک ولتاژ رگوله شده شبکه مثبت نسبت به کاتد به کار افتد و پرتو الکترونی را برای تقویت RF ایجاد کند . ولتاژ بایاس رگوله نشده منفی شبکه نسبت به کاتد برای قطع کردن پرتو الکترونی به کار می رود . بنابراین مدولاتور آند به صورت یک سوئیچ پالس برای پرتو الکترونی لامپ شبکه ای موج رونده عمل می کند .

آند تفنگ الکترونی در ولتاژی بالاتر از ولتاژ ساختار موج آهسته کار می کند تا اینکه از یونهای مثبت که توسط پرتو الکترونی در ناحیه ساختار موج آهسته تشکیل شده اند در حرکت به سمت کاتد کم توان شوند و آن را بمباران کنند جلوگیری شود .

 

2-3-گایروترونهای پالس طولانی و CW

گایروترونها در فرکانس خیلی بالا کار می کنند . این اسیلاتورهای پر قدرت در اصل برای کاربردهای علمی به کار برده می شوند . اگر چه از نظر تکنولوژی به کلایسترونها شبیه هستند اما از الکترومگنتهای ابر رسانا می کنند همچنین قسمت خروجی مخصوصی دارند ( دیسک دو گانه ، سرد کننده مایع نیتروژن … ) چون پیشرفت اولیه این لامپها در اوایل دهه 1980 بود با فهمیدن چگونگی فرایند ساخت گایروترون و تکنولوژی تست کردن آن پیشرفتهای قابل ملاحظه ای صورت گرفته است . به عنوان مثال در فرکانس GHZ 8 گایروترونهای شرکت TED پالسهای با قدرت MW 1 در 1 ثانیه دارند و امروز گایروترون TH1506 قادر است قدرت KW 500 را در فرکانس GHZ 118 برای یک دوره از 5 ثانیه تا چندین دقیقه ارائه دهد . گایروترونها استفاده از یک مدار موج سریع1 که در آن میدانهای الکتریکی می توانند حتی در فاصله های زیاد از ساختار مدار کاملاً بزرگ باشند و چون از مدهای مرتبه بالاتر استفاده می کند اندازه ساختار مدار می تواند به طور قابل ملاحظه ای بزرگتر از طول موج موج تولید شده باشد . این ساختار به گایروترون باید با میدان الکتریکی موج سریع که بر راستایی که پرتو و موج حرکت     می کنند عمود است اندرکنش کند . برای ممکن ساختن این عمل یک میدان مغناطیسی dc به سیستم داده می شود . که باعث می شود الکترونها در مسیرهای مارپیچی جریان پیدا کنند .

فرکانس حرکت دورانی الکترون با میدان مغناطیسی متناسب است و یک وابستگی نسبی به سرعت الکترون دارد . در نتیجه اگر فرکانس سیکلوترون1 الکترون به فرکانس مد حفره رزونانسی نزدیک باشد .

دسته شدن عمودی پرتو رخ می دهد . با دسته شدن پرتو مقدار قابل توجهی انرژی از پرتو الکترونی به مد تحریک شده منتقل می شود .

گایروترونها به صورت اسیلاتورها به کار برده می شوند اگر چه از گایروترونها در ترکیب با کلایسترون و مدار TWT استفاده شده که تقویت کننده های گایروکلاسیترون و گایرو TWT بوجود آمده است .

کاربردهایی که نیاز به فرکانسهای بالا و سطوح قدرت بالا دارند ممکن است از قابلیتهای گایروترون سود ببرند .

2-3-1-پیشرفت های اخیر در تقویت کننده های گایروکلایسترون2 موج میلیمتری در NRL3

تقویت کننده هایی که بر اساس رزونانس سیکلوترونی الکترونی یا اندرکنش گایروترونی کار می کنند قادر هستند که پیک قدرت بالا و قدرت متوسط بالا در باند موج میلیمتری تولید کنند . این وسایل برای انواع کاربردها در رادارهای موج میلیمتری و به عنوان

درایور شتاب دهنده های RF فرکانس بالا مورد توجه هستند . در فرکانس GHZ 35 یک وسیله دو حفره ای تا پیک قدرت KW 210 را با راندمان %37 و پهنای باند %6/0 تولید می کند . در فرکانس GHZ 93 گایرو کلایسترونهای چهار حفره ای قدرت KW 67 را با پهنای باد MHZ 460 قدرت KW  60 را با پهنای باند MHZ 640 تولید  می کند .

 

2-3-2- WARLOC رادار جدید پر قدرت GHZ 94

این رادار به عنوان یک رادار قابل حمل و نقل یعنی سیستمی که روی دریا ، یا روی زمین قابل کاربرد است می باشد . این رادار با استفاده از یک گایروکلایسترون پر قدرت ، خط انتقال شبه نوری و اجزاء دوپلکسر ، یک آنتن Cassegrain ، گیرنده و پردازشگر سیگنال ساخته شده است .

در مقایسه با سیستمهایی که در فرکانسهای مادون قرمز یا مرئی کار می کنند رادار مرئی کار می کنند رادار موج میلیمتری دارای فایده ارزشمند برای عمل در هوای ابری ، مهی ، و دودی می باشد .

پارامترهای مهم رادار                   WARLOC

فرکانس GHZ 95-93                   باند W

پهنای باند MHZ                                600

پیک قدرت KW                                80

قدرت متوسط                            KW 10

 

 

 

 

[1] Split – Anode

[2] Conventional

[3] Coaxial Magnetron

[4] Volltage – Tunable Magnetron

[5] Sole

[6] Tunable Magnetron

[7] FIXD FREWUENCY Magnerton

[8] Scintillation

[9] Vane

1. Triode
2. Transit
3. Croos – field
4. British Admirality
5. Bell Telephone Labratories
6. Electronic Counter Measure
7. Slow – Wave
8. Microwaves
9. Slow – Wave Structure
10. Slow – Wave Structure
11. Thales Electron Devices
12. Frigate
13. Thorn Microwave Devices
14. Coupling
15. Gridded Traveling Wave Tubo
16. Fast Wave
17. Cyclotron
18. Gyroklystron
19. Naval Reserch Labrarory