Принципи на радиолокацията - Прогресивна вълнова тръба

Прогресивна вълнова тръба

Фигура 1: TUP тип VTR 572B с висока мощност

Фигура 1: TUP тип VTR 572B с висока мощност

Прогресивна вълнова тръба

Лампите с прогресивна вълна, съкратено TUP (TWT - тръби с пътуващи вълни), са специални микровълнови лампи, използвани като широколентови усилватели. Те образуват специална категория тръби, които използват електронна модулация на скоростта. Поради ниския коефициент на шум, тези лампи се използват като много високочестотни усилватели в приемниците. В зависимост от приложенията, TUP е разделен на две категории:

TUP с ниска мощност
използва се във входните етажи на радарни приемници като усилватели с нисък шум, широколентов достъп и висока чувствителност
TUP мощност
използвани като усилвателни предусилватели или като усилватели на мощност в крайните етапи на усилване на предавателите.

Ще бъде представено следното:

Фигура 2: Руски TUP тип UV-1B (кирилица: УВ-1Б)

Конструктивна реализация и експлоатация

Лампите с прогресивна вълна са усилватели с ниско ниво на шум, с високо усилване, използвани в микровълновото поле. Те имат коефициенти на усилване, които могат да надвишават 40 dB, и честотни ленти, по-големи от една октава. (1-октавна честотна лента е тази, при която максималната честота е два пъти по-малка от минималната.) Лампите с прогресивна вълна работят на честоти от 300 MHz до честоти над 50 GHz. TUP е главно усилвател на напрежение. Широколентовият и нискошумният фактор превръщат TUP в основен елемент при изграждането на много високочестотни усилватели в състава на радарните системи, но също и на телекомуникационното оборудване.

Фигура 3: Конструктивна реализация на TUP

Фигура 4: Усилване на сигнала по спиралата

Фигура 3 показва конструктивните елементи на TUP. Тръбата с прогресивна вълна съдържа електронно оръдие с ролята да генерира електрони и да ги ускорява в тесен лъч, който се движи по тръбата. Магнитната система, заобикаляща тръбата, създава магнитно поле, което фокусира електроните в много тесен лъч. Спиралата е преносна линия, през която тече енергия с много висока честота. Неговата роля е тази на линията на забавяне, възглавницата за намаляване на скоростта на разпространение на електромагнитната вълна по тръбата. По този начин скоростта на вълната става сравнима с тази на електроните в лъча, осигурявайки взаимодействието между вълната и електроните. Сигналът с много висока честота се вкарва в спиралата и се извлича в нейния край посредством съединители, ако входът и изходът са направени на вълновода, съответно чрез директна връзка със спиралата, ако входът и изходът са на коаксиален кабел. Атенюаторът в центъра на тръбата предотвратява разпространението на отражения на сигнала по спирала в обратна посока.

Фигура 5 показва линиите на електрическото поле на вълната, разпространяваща се по спиралата, линии, които са успоредни на електронния лъч.

Фигура 5: Електронна модулация на скоростта
и подробна снимка на спиралата
(измерената част включва 20 оборота)

Фигура 5: Електронна модулация на скоростта и подробна снимка на спиралата
(измерената част включва 20 оборота)

Взаимодействието между полевите линии и електронния лъч води до модулация на скоростта на електроните. Модулацията на скоростта има ефект на групиране на електрони, т.е. модулация на плътността. Групирането започва точно в началото на спиралата, достигайки своя максимум в края на нея. Групите електрони ще прехвърлят енергия на вълната, ако полевите линии имат ефект на спиране на електроните до тези групи. Прогресивната вълнова тръба е конструирана по такъв начин, че броят на електроните, които предават енергия на вълната, е много по-голям от тези, които получават енергия от вълната. По този начин вълната, която се разпространява през спиралата, получава постоянно енергия от групите електрони, което води до нейното усилване.

TUP функции

Фигура 6: Характеристика на TUP

Усилване на мощността на прогресивна вълнова тръба зависи от следните фактори:

физически характеристики на тръбата (напр. спирална дължина)
диаметър на електронния лъч (регулируем чрез промяна на интензитета на фокусиращото магнитно поле)
сила на входния сигнал (вижте фигура 6)
спирално напрежение UA2

Както се вижда от фигура 6, усилването на TUP има линейна характеристика от около 26 dB при ниски мощности на входния сигнал. С увеличаване на входната мощност мощността на изходния сигнал не се увеличава толкова много и стойността на усилването намалява. Това води до ограничаващо явление, което предотвратява пренасищането на следващия етаж (например миксер) със силен сигнал. Недостатък на прогресивните вълнови тръби е относително ниската им ефективност.

Поради факта, че усилването TUP е резултат от взаимодействието между електронния лъч и вълната, разпространяваща се по спиралата, следва, че честотната лента зависи само от честотното поведение на спиралата. По този начин могат да бъдат получени честотни ленти от порядъка на гигабайта.

Най-важният параметър на TUP, използван като входни усилватели в приемниците, е коефициентът на шум, тъй като той определя чувствителността на целия приемник и по подразбиране максималното разстояние за откриване на радара. Факторът на шума на съвременния TUP има стойности 3. 10 dB. Основните причини за шума са:

алисов ефект (характерен за електронните лампи)
ефект на разпределение (характерен за многорешетни тръби)
неравномерно излъчване на електрони от катода.

Коефициентът на шум също зависи от вариацията в сравнение с номиналните стойности на захранващите напрежения на TUP. Например, ако напреженията са с 5% по-ниски от номиналните стойности, коефициентът на шум може да се удвои.

Различни видове линии за забавяне

Вместо спиралата могат да се използват други видове линии за забавяне, като тези с пръстеновидна кула или кухина, свързана с пръстен. Типът на използваната структура зависи от желаните параметри на TUP: усилване, честотна лента или мощност.

TUP с линия на закъснение "Ring-Loop"

Фигура 7: Линия за закъснение с пръстен

Тези TUP използват пръстени, свързани помежду си посредством цикли като линия за забавяне. Те могат да работят с по-високи мощности от конвенционалните (спирални) TUP, но имат по-ниска честотна лента (5 ... 15%) и по-ниска максимална честота (18 GHz).

Основните характеристики на линията на закъснение "пръстен" са високият импеданс на свързване и ниското ниво на хармоници. По този начин тези видове TUP имат предимството, че имат по-голямо усилване (40… 60 dB), по-малки размери, издържат на по-високи напрежения и са по-малко изложени на трептения поради обратната вълна.

Фигура 8: Линия за забавяне на пръстена

TUP с линия на закъснение "Ring-Bar"

Този тип TUP има подобни характеристики на типа "ring-loop". Линията на закъснение "пръстен" може да бъде много по-лесна чрез изрязване на медна тръба.

Фигура 9: Забавена линия с куплирани кухини

TUP с куплирани кухини

TUP с двойна кухина използват линия за забавяне, състояща се от поредица резонансни кухини, свързани помежду си чрез слотове, образуващи свързана предавателна линия. Електронният лъч (показан в червено на фигура 9) се модулира скоростта в първата кухина от входния RF сигнал. Енергията с много висока честота (представена от синята стрелка) зигзаг от една кухина в друга, взаимодействайки с електронния лъч.

Правилният избор на разстоянието между кухините, след взаимодействието между електронния лъч и вълната, разпространяваща се от една кухина в друга, ще доведе до силно усилване на вълната. TUP с кухини могат да се използват при много по-високи мощности от обикновено, но имат по-тесен обхват от тези (колкото и по-голям от този на clistrons).