A radiolokáció alapelvei - Progresszív hullámcső

Progresszív hullámcső

1. ábra: Nagy teljesítményű TUP típusú VTR 572B

Progresszív hullámcső

A progresszív hullámú csövek, rövidítve TUP (TWT - mozgó hullámcsövek) speciális mikrohullámú csövek, amelyeket szélessávú erõsítõként használnak. Különleges kategóriájú csöveket alkotnak, amelyek elektronsebesség-modulációt alkalmaznak. Az alacsony zajfaktor miatt ezeket a csöveket nagyon nagy frekvenciájú erősítőként használják a vevőkészülékekben. Az alkalmazástól függően a TUP két kategóriára oszlik:

Alacsony teljesítményű TUP
radar vevők bemeneti padlóján használják, alacsony zajszintű, szélessávú és nagy érzékenységű erősítőként
TUP teljesítmény
erősítő előerősítőként vagy teljesítményerősítőként használják az adó végső erősítési szakaszaiban.

A következők kerülnek bemutatásra:

2. ábra: Orosz UV-1B típusú TUP (cirill: УВ-1Б)

2. ábra: Orosz TUP típusú UV-1B (cirill: УВ-1Б)

2. ábra: Orosz UV-1B típusú TUP (cirill: УВ-1Б)

Konstruktív megvalósítás és működés

A progresszív hullámcsövek alacsony zajszintű, alacsony zajszintű, nagy erősítésű erősítők, amelyeket a mikrohullámú mezőben használnak. Erősítési együtthatóik meghaladhatják a 40 dB-t, és a frekvenciasávok nagyobbak, mint egy oktáv. (Az 1 oktávos frekvenciasáv az, amelyben a maximális frekvencia kétszerese a minimumnak.) A progresszív hullámú csövek 300 MHz-től 50 GHz-nél magasabb frekvenciáig működnek. A TUP főleg egy feszültségerősítő. A szélessávú és az alacsony zajfaktor miatt a TUP alapvető elem a nagyon nagy frekvenciájú erősítők gyártásában a radar rendszerek, de a telekommunikációs berendezések összetételében is.

3. ábra: A TUP konstruktív megvalósítása

3. ábra: A TUP konstruktív megvalósítása

3. ábra: A TUP konstruktív megvalósítása

4. ábra: Jelerősítés a spirál mentén

A 3. ábra a TUP konstruktív elemeit mutatja. A progresszív hullámcső tartalmaz egy elektronikus ágyút, amelynek szerepe az elektronok generálása és gyorsítása egy keskeny sugárban, amely a cső mentén mozog. A csövet körülvevő mágneses rendszer mágneses teret hoz létre, amely az elektronokat nagyon keskeny sugárban fókuszálja. A spirál egy távvezeték, amelyen keresztül nagyon nagy frekvenciájú energia áramlik. Szerepe a késleltetési vonalé, a párnaé, hogy csökkentse az elektromágneses hullám terjedési sebességét a cső mentén. Ily módon a hullám sebessége összehasonlíthatóvá válik a sugárban lévő elektronok sebességével, biztosítva a hullám és az elektronok kölcsönhatását. A nagyon nagy frekvenciájú jel a spirálba kerül, és annak végén csatolók segítségével nyerhető ki, ha a bemenet és a kimenet a hullámvezetőn történik, illetve a spirállal közvetlen összeköttetéssel, ha a bemenet és a kimenet koaxiális kábelen van. A cső közepén található csillapító megakadályozza, hogy a jel visszaverődése spirálban az ellenkező irányba terjedjen.

Az 5. ábra mutatja a spirál mentén terjedő hullám elektromos mezővezetékeit, az elektronnyalábbal párhuzamos vonalakat.

5. ábra: Elektronsebesség-moduláció
és egy részletes fénykép a spirálról
(a mért rész 20 fordulatot tartalmaz)

5. ábra: Elektronsebesség-moduláció és a spirál részletes fényképe
(a mért rész 20 fordulatot tartalmaz)

A terepi vonalak és az elektronnyaláb közötti kölcsönhatás az elektronok sebesség modulációját eredményezi. A sebesség modulációnak az elektronok csoportosítása, azaz a sűrűség modulációja a hatása. A csoportosítás közvetlenül a spirál elején kezdődik, és annak végén éri el a maximumot. Az elektroncsoportok energiát visznek át a hullámba, ha a mező vonalak elektronfékező hatással bírnak ezek mellett a csoportok mellett. A progresszív hullámcsövet úgy alakítják ki, hogy az energiát a hullámba továbbító elektronok száma sokkal nagyobb, mint azoké, amelyek energiát kapnak a hullámból. Így a spirálon terjedő hullám tartósan energiát kap az elektroncsoportoktól, ami annak erősítését eredményezi.

TUP funkciók

6. ábra: A TUP jellemzője

Teljesítményerősítés A progresszív hullámcső értéke a következő tényezőktől függ:

a cső fizikai jellemzői (pl. spirálhossz)
elektronnyaláb átmérő (a fókuszáló mágneses tér intenzitásának megváltoztatásával állítható be)
bemeneti jel erőssége (lásd a 6. ábrát)
spirálfeszültség UA2

Amint az a 6. ábrán látható, a TUP erősítésének lineáris karakterisztikája körülbelül 26 dB a bemeneti jel alacsony teljesítményénél. A bemeneti teljesítmény növekedésével a kimenő jel teljesítménye nem nő annyira, és az erősítési érték csökken. Ez korlátozó jelenséget eredményez, amely megakadályozza, hogy a következő emelet (pl. Keverő) erős jellel túltelített legyen. A progresszív hullámcsövek hátránya, hogy viszonylag alacsony hatékonyságúak.

Tekintettel arra, hogy a TUP amplifikáció az elektronnyaláb és a spirál mentén terjedő hullám közötti kölcsönhatás eredménye, ebből következően a frekvenciasáv csak a spirál frekvencia-viselkedésétől függ. Így a gigabájt nagyságrendű frekvenciasávok nyerhetők.

A vevőkészülékek bemeneti erősítőjeként használt TUP legfontosabb paramétere a zajfaktor, mivel ez határozza meg a teljes vevő érzékenységét, és ezáltal a maximális radarérzékelési távolságot. A modern TUP zajfaktorának értéke 3. 10 dB. A zaj fő okai a következők:

Alice-effektus (jellemző az elektronikus csövekre)
eloszlási hatás (többrácsos csövekre jellemző)
a katód egyenetlen elektronkibocsátása.

A zajfaktor a TUP tápfeszültségének névleges értékeihez viszonyított variációtól is függ. Például, ha a feszültségek 5% -kal alacsonyabbak, mint a névleges értékek, a zajfaktor megduplázódhat.

Különböző típusú késleltetési vonal

A spirál helyett más típusú késleltető vonalak is alkalmazhatók, például gyűrűs rúddal vagy gyűrűvel összekapcsolt üreggel. Az alkalmazott szerkezet típusa a TUP kívánt paramétereitől függ: erősítés, frekvenciasáv vagy teljesítmény.

TUP "Ring-Loop" késleltetési vonallal

7. ábra: Ring-Loop késleltetési vonal

Ezek a TUP-ok késleltető vonalként hurkok segítségével egymáshoz kapcsolt gyűrűket használnak. Nagyobb teljesítménnyel működhetnek, mint a hagyományos (spirális) TUP-ok, de alacsonyabb frekvenciasávval (5… 15%) és alacsonyabb maximális frekvenciával (18 GHz) rendelkeznek.

A "ring-loop" késleltetési vonal fő jellemzői a nagy kapcsolási impedancia és a harmonikusok alacsony szintje. Így ezeknek a TUP-típusoknak az az előnye, hogy nagyobb az erősítésük (40… 60 dB), kisebb a méretük, ellenállnak a nagyobb feszültségeknek, és kevésbé vannak kitéve a fordított hullám okozta rezgéseknek.

8. ábra: Gyűrűsáv késleltetési vonal

TUP "Ring-Bar" késleltetési vonallal

Ez a típusú TUP hasonló jellemzőkkel rendelkezik, mint a "ring-loop" típus. A "gyűrűs rúd" késleltetési vonalat sokkal könnyebbé tehetjük, ha rézcsövet vágunk.

9. ábra: Késleltetési vonal összekapcsolt üregekkel

TUP összekapcsolt üregekkel

Az összekapcsolt üregű TUP-ok késleltető vonalat használnak, amely rezonáns üregek sorozatából áll, amelyek résekkel vannak egymással összekapcsolva, és összekapcsolt távvezetéket alkotnak. Az elektronnyalábot (amelyet a 9. ábra piros színnel mutat) az első üregben a bemenő RF jel modulálja a sebességet. Nagyon nagy frekvenciájú energia (amelyet a kék nyíl képvisel) cikcakkban terjed az egyik üregből a másikba, kölcsönhatásba lépve az elektronnyalábbal.

Az üregek közötti távolság helyes megválasztásával az elektronnyaláb és az egyik üregből a másikba terjedő hullám közötti kölcsönhatás követése erős hullámerősítést eredményez. A csatolt üregekkel rendelkező TUP-ok a szokásosnál jóval nagyobb erővel használhatók, de ezeknél keskenyebb sáv van (bár nagyobb, mint a klisztronoké).