11. ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΛΥΧΝΙΕΣ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ · 2004. 10. 25. ·...

Μικροκυµατικές Λυχνίες και Κυκλώµατα

11. ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΛΥΧΝΙΕΣ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

Το προηγούµενο κεφάλαιο αναφερόταν σε παθητικές µικροκυµατικές διατάξεις. Στο σηµείο αυτό είναι απαραίτητο να µελετήσουµε τις ενεργές. Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται µε µικροκυµατικές λυχνίες και κυκλώµατα, ενώ το επόµενο αναφέρεται σε µικροκυµατικές ηµιαγωγικές διατάξεις και τα σχετικά κυκλώµατα. Η επιλογή αυτής της σειράς παρουσίασης βασίζεται κυρίως σε ιστορικούς λόγους, καθώς οι λυχνίες προηγήθηκαν των ηµιαγωγών κατά περίπου 20 χρόνια. Είναι ενδιαφέρον να σκεφτεί κανείς ότι αν µετρήσουµε την ηλικία µε βάση τα χρόνια ερευνητικής δουλειάς, τότε, στην πραγµατικότητα, οι ηµιαγωγοί είναι πολύ παλιότεροι!

Το εµπόδιο, τόσο για τις λυχνίες, όσο και για τα τρανσίστορ και τις διόδους, είναι το µέγεθος στις µικροκυµατικές συχνότητες. Όσο µεγαλώνει η συχνότητα, τόσο οι διατάξεις θα πρέπει να είναι µικρότερες. Η ισχύς µειώνεται και ο θόρυβος αυξάνεται. Το συνολικό αποτέλεσµα στις µικροκυµατικές συχνότητες είναι ότι οι λυχνίες έχουν υψηλότερη ισχύ εξόδου, ενώ οι ηµιαγωγικές διατάξεις είναι µικρότερες, απαιτούν απλούστερες παροχές ισχύος και συνήθως έχουν χαµηλότερο θόρυβο και µεγαλύτερη αξιοπιστία.

Γενικά, υπάρχουν τρεις τύποι µικροκυµατικών λυχνιών. Ο πρώτος τύπος είναι η συνηθισµένη λυχνία πλέγµατος (gridded tube), ή αλλιώς τρίοδος (triode) για τις υψηλότερες συχνότητες, η οποία εξελίχθηκε σηµαντικά. Έπειτα, υπάρχει ο τύπος των συσκευών στις οποίες λαµβάνει χώρα σύντοµη, αν και µερικές φορές επαναλαµβανόµενη, αλληλεπίδραση µεταξύ µιας δέσµης ηλεκτρονίων και µιας RF τάσης. Παράδειγµα τέτοιας συσκευής αποτελεί το κλείστρον (klystron).

Στην τρίτη κατηγορία διατάξεων η αλληλεπίδραση µεταξύ της δέσµης ηλεκτρονίων και RF πεδίου είναι συνεχής. Αυτή η κατηγορία χωρίζεται σε δύο υποκατηγορίες. Στην πρώτη, η συνεχής αλληλεπίδραση ανάµεσα στη δέσµη ηλεκτρονίων και το RF πεδίο εξασφαλίζεται µέσω ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η λυχνία οδεύοντος κύµατος (travelling-wave tube) - TWT αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγµα αυτής της αλληλεπίδρασης. Πρόκειται για έναν ενισχυτή του οποίου ο ταλαντωτής καλείται backward-wave oscillator (BWO). Η δεύτερη υποκατηγορία αποτελείται από λυχνίες στις οποίες η συνεχής αλληλεπίδραση ανάµεσα στη δέσµη ηλεκτρονίων και το RF πεδίο εξασφαλίζεται µέσω ενός µαγνητικού πεδίου. Το magnetron, ένας ταλαντωτής χρησιµοποιεί αυτήν την αλληλεπίδραση και συµπληρώνεται από έναν cross-field amplifier (CFA).

Στη συνέχεια αυτού του κεφαλαίου θα σταθούµε σε καθέναν από τους τύπους αυτούς. Σε κάθε περίπτωση, θα δίνονται γραφήµατα απόδοσης και θα παρουσιάζονται συγκρίσεις που θα αναδεικνύουν τα σχετικά πλεονεκτήµατα και τις εφαρµογές κάθε συσκευής.

11-1 ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΤΡΙΟ∆ΟΙ

Οι συνηθισµένες λυχνίες κενού είναι άχρηστες στις µικροκυµατικές συχνότητες, εξαιτίας αρκετών περιορισµών τους οποίους και θα εξηγήσουµε. Εδώ θα πρέπει να σηµειωθεί ότι τέτοιοι περιορισµοί πλήττουν και τα τρανσίστορ για τις UHF και πάνω. Ούτε στις λυχνίες, αλλά ούτε και στα τρανσίστορ µπορούµε να

1


αντιµετωπίσουµε πλήρως αυτούς τους περιορισµούς. Ωστόσο, είναι δυνατό να επεκτείνουµε τη χρήσιµη κλίµακα και των δύο µέχρι και τα 10 GHz, όπως θα δούµε παρακάτω.

11-1.1 Περιορισµοί Συχνότητας στις Λυχνίες Πλέγµατος (Gridded Tubes)

Καθώς αυξάνεται η συχνότητα, οι λυχνίες κενού υποφέρουν από δύο γενικά προβλήµατα. Το πρώτο σχετίζεται µε τις ενδοηλεκτροδιακές χωρητικότητες και επαγωγές. Το δεύτερο προκαλείται από τον πεπερασµένο χρόνο που χρειάζονται τα ηλεκτρόνια για να ταξιδέψουν από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο µέσα στη λυχνία. Ο θόρυβος τείνει να αυξάνεται µε τη συχνότητα, ενώ οι µικροκυµατικές λυχνίες είναι στην ουσία τρίοδοι, οι οποίες είναι και οι λιγότερο θορυβώδεις λυχνίες (βλ. Ενότητα 2-2.4).

"Τυπικοί" Περιορισµοί. Στα UHF και πάνω, η ενδοηλεκτροδιακές

χωρητικότητες δε µπορούν να αγνοηθούν, ούτε µπορούν να αγνοηθούν οι επαγωγές των σειρών ηλεκτροδίων λόγω εσωτερικών συνδετικών leads. Στο Σχ.11-1α φαίνεται το ισοδύναµο κύκλωµα κάθε τριόδου. Ωστόσο, αν αυτό είναι µια συνηθισµένη RF λυχνία, τότε όλες οι χωρητικότητες θα είναι της τάξεως των 2 pF και οι επαγωγές είναι τυπικά στα 0.02 µH. Στα 500 MHz, οι εµπεδήσεις εκτροπής ρεύµατος (shunt impedances) εισόδου και εξόδου θα είναι εποµένως της τάξης των 160 Ω (χωρητική) και οι σειρές εµπεδήσεων θα είναι 60 Ω (επαγωγική). Η µέγιστη δυνατή επαγωγή των εξωτερικά ρυθµιζόµενων κυκλωµάτων θα περιορίζεται σηµαντικά, όπως και το Q τους. ∆ε θα είναι δυνατά ούτε µικρά κυκλώµατα, ούτε συνδέσεις απευθείας στα ηλεκτρόδια, ακόµα κι αν συµβαίνει εσωτερική αυτο-ταλάντωση. Αν προσπαθούσαµε να χρησιµοποιήσουµε τέτοιες λυχνίες, θα ήταν σαν να χρησιµοποιούσαµε AF διατάξεις, οι οποίες θα είχαν ηλεκτρόδια µε 20 mH καλώδιο συνδεδεµένο σε αυτά, καθώς και ένα 2 µF bypass πυκνωτή! ∆ε χρειάζεται να πούµε ότι οι δυσκολίες αυξάνονται µε τη συχνότητα και θα είναι 10 φορές χειρότερες στα 5 GHz.

Σχήµα 11-1 Περιορισµοί Συχνότητας στις Λυχνίες. (a) Ισοδύναµο κύκλωµα στα UHF,

(b) µη-στιγµιαία ροή ηλεκτρονίων στα UHF (τα βέλη δείχνουν τη ροή των ηλεκτρονίων, όχι τη ροή ρεύµατος)

Το φαινόµενο επιφάνειας (skin effect) προκαλεί σηµαντικές αυξήσεις στις

σειρές αντιστάσεων και επαγωγών στα UHF, εκτός εάν οι λυχνίες σχεδιαστούν κατάλληλα ώστε να ελαχιστοποιήσουν το φαινόµενο. Επίσης, οι απώλειες διηλεκτρικού (dielectric losses) αυξάνονται µε τη συχνότητα. Αντίστοιχα, εκτός εάν οι

2


λυχνίες και οι βάσεις τους κατασκευαστούν από διηλεκτρικά µε τις λιγότερες απώλειες, η αποτελεσµατικότητα µειώνεται τόσο πολύ, ώστε δε µπορούν να µας προσφέρουν την κατάλληλη ενίσχυση.

Φαινόµενα Χρόνου Μετάβασης (Transit Time Effects). Θα πρέπει να

παρατηρήσουµε ότι τα µεταβατικά φαινόµενα δε σχετίζονται µόνο µε τις λυχνίες, αλλά και στα τρανσίστορ και σε κάθε διάταξη που εξαρτάται από σύντοµους χρόνους µεταξύ των ηλεκτροδίων.

Στις χαµηλές συχνότητες, είναι δυνατό να υποθέσουµε ότι τα ηλεκτρόνια φεύγουν από την κάθοδο και φτάνουν στην άνοδο της λυχνίας ταυτόχρονα. Κάτι τέτοιο σίγουρα δε µπορεί να υποτεθεί στην περίπτωση των µικροκυµατικών συχνοτήτων. Με άλλα λόγια: ο χρόνος µετάβασης (transit time) αποτελεί ένα σηµαντικό κλάσµα του RF κύκλου. Από αυτό το συµπέρασµα προκύπτουν διάφορα αρνητικά αποτελέσµατα. Ένα από αυτά είναι ότι τα σήµατα πλέγµατος και ανόδου δεν είναι πλέον µε διαφορά φάσης 180ο, οπότε δηµιουργούνται σχεδιαστικά προβλήµατα, ειδικά στην περίπτωση των ταλαντωτών µε ανάδραση. Ένα άλλο σηµαντικό αποτέλεσµα - ίσως και το πιο σηµαντικό - είναι ότι το πλέγµα αρχίζει να παίρνει ισχύ από την άγουσα πηγή. Η ισχύς απορροφάται και καταναλώνεται ακόµα κι αν το πλέγµα είναι αρνητικά φορτισµένο.

Το Σχ.11-1β δείχνει την κατανοµή ηλεκτρονίων σε µια τρίοδο σε κάποια χρονική στιγµή όπου η τάση στο πλέγµα γίνεται λιγότερο αρνητική. Η λυχνία πολώνεται και οδηγείται ώστε το πλέγµα να παραµένει συνεχώς αρνητικό, ενώ βέβαια η στιγµιαία τάση µεταβάλλεται µε το RF φορτίο. Φαίνεται ότι υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια στην πλευρά της καθόδου του πλέγµατος από ότι στην πλευρά της ανόδου. Ο λόγος είναι ότι τα ηλεκτρόνια που πρόκειται να φτάσουν στην άνοδο, αφήνουν την κάθοδο όταν η τάση του πλέγµατος είναι αρκετά αρνητική, και έτσι ο ρυθµός ροής των ηλεκτρονίων είναι χαµηλός. Τα ηλεκτρόνια τώρα στο χώρο καθόδου του πλέγµατος αφήνουν διαδοχικά την κάθοδο, όταν το πλέγµα είναι λιγότερο αρνητικό και εποµένως είναι περισσότερα από αυτά. Αυτό συµβαίνει επειδή ο RF κύκλος είναι αρκετά σύντοµος για να προλάβει η τάση του πλέγµατος να αλλάξει σηµαντικά κατά τη διάρκεια του χρόνου που ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια από την κάθοδο στην άνοδο.

Τώρα αν εφαρµόσουµε το Νόµο Ρεύµατος του Kirchhoff στο πλέγµα, βρίσκουµε περισσότερα ηλεκτρόνια να φτάνουν εσωτερικά παρά να φεύγουν. Έτσι, τα ηλεκτρόνια θα πρέπει να φεύγουν έξω από το πλέγµα, δηλαδή θα πρέπει να ρέει ρεύµα προς αυτό. Παρατηρήστε ότι αυτό συµβαίνει όταν το πλέγµα γίνεται περισσότερο θετικό (ή λιγότερο αρνητικό που είναι το ίδιο πράγµα) και ότι αυτό αποτελεί µια θετική αγωγιµότητα. Κατά τη διάρκεια του αντίθετου µέρους του κύκλου, θα ισχύει το αντίστροφο και θα έχουµε ροή ρεύµατος από το πλέγµα προς τα έξω. Έτσι. για την άγουσα πηγή, η λυχνία φαίνεται να έχει µια πεπερασµένη αγωγιµότητα συνδεδεµένη στην είσοδό της, και καθώς η συχνότητα αυξάνεται, αυξάνεται και αυτή η αγωγιµότητα. Συνεπώς, η άγουσα πηγή φορτώνεται τόσο πολύ, ώστε το συνολικό κέρδος να πέφτει κάτω της µονάδας, σε σηµείο που η διάταξη να µην τίποτα άλλο πλέον παρά ένας ωραίος εξασθενητής. Το φαινόµενο αυτό είναι ανάλογο του τετραγώνου της συχνότητας λειτουργίας.

Τέλος, η αυξηµένη αγωγιµότητα εισόδου αυξάνει το θόρυβο εισόδου, όπως ειπώθηκε στην ενότητα 2-2.3. Πολύ πριν φτάσουµε το 1 GHz, οι συνηθισµένες RF λυχνίες έχουν ένα επίπεδο θορύβου πολύ πάνω από τα 25 dB. Συµπερασµατικά λοιπόν, είναι αλήθεια ότι όταν µια λυχνία (ή ένα τρανσίστορ) τελικά αποτυγχάνει σε

3


υψηλή συχνότητα, τότε ο χρόνος µετάβασης είναι ο "φονιάς", µε τον έναν ή τον άλλο τρόπο.

11-1.2 UHF Τρίοδοι και Κυκλώµατα

Απαιτήσεις Λυχνιών. Αν πρέπει να ελαχιστοποιήσουµε την απώλεια πλέγµατος, το θόρυβο, καθώς και τις εσωτερικές χωρητικότητες και επαγωγές, τότε επιβάλλεται ένας σύντοµος χρόνος µετάβασης. Επίσης, επειδή τα συντονισµένα οµοαξονικά καλώδια και οι κοιλότητες (cavities) χρησιµοποιούνται ως συντονισµένα κυκλώµατα σε αυτές τις συχνότητες, οι λυχνίες θα πρέπει να κατασκευάζονται έτσι ώστε να συνδέονται απευθείας σε τέτοιες γραµµές ή συντονιστές (resonators).

Για να µειώσουµε το χρόνο µετάβασης, τα διάφορα ηλεκτρόδια έρχονται όσο κοντά γίνεται το ένα µε το άλλο, ενώ διασφαλίζεται ότι δεν ακουµπούν µεταξύ τους, ακόµα κι αν η λυχνία κακοποιηθεί. Για τον ίδιο λόγο, µπορούµε να αυξήσουµε και την τάση ανόδου, οπότε και θα αυξηθεί το ρεύµα ανόδου για πολύπλοκους λόγους. Η ενδοηλεκτροδιακή χωρητικότητα είναι ανάλογη της επιφάνειας του ηλεκτροδίου και αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης µεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Έτσι, αν και τα δύο µειωθούν κατά τον ίδιο παράγοντα (αποκαλούµενο scaling factor), η εγγύτητα των ηλεκτροδίων δε θα αυξήσει την χωρητικότητα ανάµεσά τους. Τέλος, οι επαγωγές των γραµµών (lead inductances) µπορούν να µειωθούν έχοντας τις γραµµές υπό µορφή δαχτυλιδιών.

Η µειωµένη επιφάνεια των ηλεκτροδίων θα µειώσει αναµφισβήτητα τη µέγιστη επιτρεπόµενη απώλεια ισχύος. Έτσι προκύπτει ότι καθώς η συχνότητα λειτουργίας αυξάνεται, λιγότερη ισχύς εξόδου είναι διαθέσιµη από τις λυχνίες (και κάθε άλλη διάταξη). Το εύρος της κλίµακας συχνοτήτων επεκτείνεται µε τη χρήση βελτιωµένων κατασκευών και αναγκαστικής ψύξης, οπότε γενικά χρησιµοποιούνται εξωτερικές άνοδοι µε ψυκτικά πτερύγια.

Ως αποτέλεσµα, οι λυχνίες είναι ικανές για συνεχή ισχύ από 100 W στο 1GHz έως περίπου 25 mW στα 10 GHz. Η ισχύς παλµού (κύκλος εργασίας 0.1%) σε αυτήν την περιοχή είναι 15 KW έως 350 W. Στη µέση αυτής της περιοχής, στα 3 GHz, τυπικά κέρδη είναι 10-20dB, και αποδόσεις (efficiencies) 30% CW και 55% παλµική.

Ανάµεσα στους διάφορους τύπους λυχνιών που έχουν χρησιµοποιηθεί για µικροκύµατα, µόνο η disk-seal triode είναι ακόµη σε χρήση, επειδή είναι ικανή για υψηλή ισχύ. Η λυχνία αυτή έρχεται σε διάφορες εκδόσεις, τα κοινά χαρακτηριστικά των οποίων είναι η εξαιρετική εγγύτητα των ηλεκτροδίων, οι υψηλές τάσεις, οι µικρές επιφάνειες ηλεκτροδίων µε µεγάλο όγκο (για κατανάλωση ισχύος), τα κεραµικά µέρη και ηλεκτρόδια υπό µορφή δίσκων για να µειώνουν την επαγωγή και να διευκολύνουν τη σύνδεση µε γραµµές συντονισµού (resonant lines) ή κοιλότητες (cavities).

Ένας τύπος τέτοιας τριόδου φαίνεται στο Σχ.11-2. Η µεγέθυνση της ενεργής περιοχής φανερώνει γιατί αυτή συχνά καλείται λυχνία παράλληλου επιπέδου (parallel-plane tube). Όπως θα φανεί αργότερα, η κάθοδος και το πιάτο (άνοδος) έχουν σχετικά µεγάλο όγκο, αλλά µικρές ενεργές επιφάνειες-περιοχές. Επειδή αυτές οι περιοχές είναι επίπεδες, ανάµεσά τους τοποθετείται ένα επίπεδο πλέγµα µε πολύ µικρή απόσταση όπως φαίνεται στο σχήµα. Η µικρή απόσταση είναι δυνατή, εφόσον όλα τα ηλεκτρόδια είναι στέρεα και µόνιµα εγκατεστηµένα στο σώµα της λυχνίας. Έτσι, είναι πολύ δύσκολο να έρθουν σε επαφή µεταξύ τους σε περίπτωση που η λυχνία υπόκειται σε µηχανική δόνηση ή τράνταγµα. Οι συνδέσεις των ηλεκτροδίων είναι κύλινδροι ή δακτύλιοι και συχνά κατασκευάζονται από χαλκό-βολφράµιο. Σε συνδυασµό µε το κεραµικό σώµα, επιτρέπουν υψηλές θερµοκρασίες λειτουργίας και υψηλή κατανάλωση ισχύος. Οι συνδέσεις των ηλεκτροδίων σχεδιάζονται για απευθείας τερµατισµό των οµοαξονικών γραµµών. Μια τυπική λυχνία της

4


οικογένειας αυτής µπορεί να έχει συνολικό ύψος 24 mm, διάµετρο 19 mm και µια παλµική ισχύς εξόδου των 2 KW στα 4.1 GHz.

Σχήµα 11-2 Κατασκευή σύγχρονης τριόδου παράλληλου επιπέδου, που δείχνει µια

µεγενθυµένη ενεργός περιοχή και πλήρεις λυχνίες (ένθετο) Μια κάπως διαφορετική έκδοση της επίπεδης τριόδου είναι η λυχνία φάρος

(lighthouse tube), που προσφέρει ακτινικά πτερύγια για την άνοδο και έτσι είναι ικανή για υψηλή ισχύ.

Οι ενισχυτές UHF και πάνω χρησιµοποιούν τη διαµόρφωση γειωµένου πλέγµατος, και οι ταλαντωτές χρησιµοποιούν την ultra-audion έκδοση του Colpitts, όπως φαίνεται στο Σχ.11-3. Για αποµόνωση και αποσύζευξη χρησιµοποιούνται RF πηνία και feedthrough πυκνωτές, ενώ ως γραµµές µεταφορές χρησιµοποιούνται συντονισµένα κυκλώµατα.

Σχήµα 11-3 Ultra-audion ταλαντωτής µικροκυµατικής λυχνίας που χρησιµοποιεί

οµοαξονικές αντηχήσεις (coaxial resonators)

11-2 MULTICAVITY KLYSTRON

Ο σχεδιασµός του multicavity klystron έγκειται στο γεγονός ότι ο χρόνος µετάβασης αργά ή γρήγορα θα τερµατίσει τη χρησιµότητα κάθε ορθόδοξης λυχνίας. Για το λόγο αυτό, αντί να προσπαθούν να αντιµετωπίσουν το χρόνο µετάβασης, τον εκµεταλλεύτηκαν. Το klystron εφευρέθηκε ακριβώς πριν το Β' Παγκόσµιο Πόλεµο από τους αδελφούς Varian ως πηγή και ενισχυτής µικροκυµάτων. Παρείχε πολύ

5


υψηλότερη ισχύς σε σχέση µε ό,τι είχε επιτευχθεί προηγουµένως στις συχνότητες αυτές.

11-2.1 Λειτουργία

Το Σχ.11-4 δείχνει σχηµατικά τις βασικές ιδιότητες ενός ενισχυτή κλείστρον δύο- κοιλοτήτων (two-cavity amplifier klystron). Φαίνεται ότι παράγεται µια δέσµη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας, η οποία εστιάζεται και στέλνεται µέσω µιας µακριάς γυάλινης λυχνίας σε ένα ηλεκτρόδιο συλλέκτη που είναι σε πολύ υψηλό θετικό δυναµικό σε σχέση αυτό της καθόδου. Η δέσµη περνά το κενό Α στην buncher κοιλότητα, στην οποία εφαρµόζεται το RF σήµα που πρόκειται να ενισχυθεί, και µετά αφήνεται να κινηθεί ελεύθερα, χωρίς καµµιά επίδραση από RF πεδία, µέχρις ότου να φτάσει στο κενό Β στην έξοδο ή catcher κοιλότητα. Αν όλα πάνε καλά, θα προκληθούν ταλαντώσεις στη δεύτερη κοιλότητα οι οποίες είναι πολύ υψηλότερης ισχύος σε σχέση µε αυτές στην buncher κοιλότητα, ώστε µπορεί να επιτευχθεί µια µεγάλη έξοδος. Η δέσµη µετά συλλέγεται από το ηλεκτρόδιο συλλέκτη.

Σχήµα 11-4 Σχηµατικό διάγραµµα ενισχυτή klystron

Οι κοιλότητες κατευθύνονται προς τα µέσα και είναι επίσης ρυθµιζόµενες.

Μπορεί να είναι ενσωµατωµένες ή αποσυνδεόµενες. Στη δεύτερη περίπτωση, τα πλέγµατα των καλωδίων συνδέονται σε δακτυλίους εξωτερικά της γυάλινης περιβάλλουσας και οι κοιλότητες µπορούν να προσαρτηθούν στους δακτυλίους. Ο drift space είναι σχετικά µακρύς και ο χρόνος µετάβασης σε αυτόν τίθεται σε εφαρµογή. Τα κενά πρέπει να είναι στενά ώστε η τάση κατά µήκος τους να µην αλλάζει σηµαντικά κατά τη διάρκεια του περάσµατος µιας συγκεκριµένης δέσµης ηλεκτρονίων: µια υψηλή τάση συλλέκτη βοηθά προς το σκοπό αυτό.

Είναι προφανές ότι η δέσµη ηλεκτρονίων, που έχει µια σταθερή ταχύτητα καθώς πλησιάζει το κενό Α, θα επηρεάζεται από την παρουσία µιας RF τάσης κατά µήκος του κενού. Το µέγεθος του φαινοµένου αυτού σε κάθε ηλεκτρόνιο θα εξαρτάται από την τάση κατά µήκος του κενού καθώς το ηλεκτρόνιο περνά το κενό αυτό. Έτσι, είναι απαραίτητο να ερευνήσουµε την επίδραση της τάσης αυτής σε κάθε ένα ηλεκτρόνιο.

Θεωρήστε την περίπτωση που δεν υπάρχει καµµιά τάση στο κενό. Τα ηλεκτρόνια που το περνάνε παραµένουν ανεπηρέαστα και συνεχίζουν προς το συλλέκτη µε την ίδια σταθερή ταχύτητα που είχαν και πριν πλησιάσουν το κενό (αυτό φαίνεται στα αριστερά του Σχ.11-5). Αφού η είσοδος έχει τροφοδοτηθεί στην buncher κοιλότητα, ένα ηλεκτρόνιο θα περάσει το κενό Α τη στιγµή όπου η τάση κατά µήκος του κενού είναι µηδέν και πηγαίνει προς θετική. Ας ονοµάσουµε το ηλεκτρόνιο αυτό ηλεκτρόνιο αναφοράς y. Φυσικά δεν επηρεάζεται από το κενό και έτσι παριστάνεται

6


µε την ίδια κλίση στο Σχ.11-5, όπως και τα ηλεκτρόνια που πέρναγαν το κενό προτού εφαρµοστεί οποιοδήποτε σήµα.

Σχήµα 11-5 ∆ιάγραµµα για ενισχυτή klystron

Ένα άλλο ηλεκτρόνιο z, περνά το κενό Α λίγο αργότερα από το y. Εάν δεν

υπήρχε καµµιά τάση στο κενό, και τα δύο ηλεκτρόνια θα είχαν περάσει το κενό µε ανεπηρέαστη ταχύτητα, και έτσι κανένα δε θα µπορούσε να συναντήσει κάποιο άλλο. Εδώ όµως το ηλεκτρόνιο z είναι ελαφρώς επιταχυµένο από την πλέον θετική τάση κατά µήκος του κενού Α και δοθέντος αρκετού χρόνου θα προλάβει το ηλεκτρόνιο y. Όπως φαίνεται στο Σχ.11-5, έχει αρκετό χρόνο να προλάβει εύκολα το ηλεκτρόνιο z προτού φτάσουν στο κενό Β. Το ηλεκτρόνιο x περνά το κενό Α λίγο πριν το ηλεκτρόνιο αναφοράς y. Αν και πέρασε το κενό Α πριν το ηλεκτρόνιο y, καθυστερήθηκε κάπως από την αρνητική τάση που υπήρχε τότε στο κενό. Εφόσον το ηλεκτρόνιο y δεν επιβραδύνθηκε αντίστοιχα, έχει µια πρώτης τάξεως ευκαιρία να προλάβει το ηλεκτρόνιο x πριν το κενό Β (αυτό και κάνει, όπως φαίνεται στο Σχ.11-5).

Καθώς τα ηλεκτρόνια περνούν από το buncher κενό, διαµορφώνονται στην ταχύτητα (velocity-modulated) από την RF τάση που εφαρµόζεται κατά µήκος αυτού του κενού. Αυτή η διαµόρφωση ταχύτητας δε θα ήταν επαρκής από µόνη της για να επιτύχει ενίσχυση από το κλείστρον. Τα ηλεκτρόνια έχουν τη δυνατότητα να προλαβαίνουν άλλα ηλεκτρόνια στο drift space. Όταν ένα ηλεκτρόνιο προλάβει κάποιο άλλο µπορεί απλά να το προσπεράσει και να προχωρήσει µπροστά. Μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια µε το αργό ηλεκτρόνιο, δίνοντάς του κάποια από την πλεονάζουσα ταχύτητά του, και ως δέσµη να προχωρήσουν µαζί µε τη µέση ταχύτητα της δέσµης. Καθώς η δέσµη προχωρά µέσα στη drift λυχνία, γίνεται πιο συµπαγής, καθώς όλο και περισσότερα γρήγορα ηλεκτρόνια προλαβαίνουν οµάδες ηλεκτρονίων µπροστά τους. Τελικά, το ρεύµα περνά το catcher κενό µε αρκετά δυνατές δέσµες και έτσι µεταβάλλεται κυκλικά µε το χρόνο. Αυτή η µεταβολή της πυκνότητας του ρεύµατος είναι γνωστή ως διαµόρφωση ρεύµατος (current modulation) και είναι αυτή που επιτρέπει στο κλείστρον να έχει σηµαντικό κέρδος.

Μπορούµε να παρατηρήσουµε από το Σχ.11-5 ότι η οµαδοποίηση ηλεκτρονίων µπορεί να συµβεί µια φορά σε κάθε κύκλο εργασίας, και κεντράρεται στο ηλεκτρόνιο αναφοράς. Επίσης φαίνονται και τα όρια της οµαδοποίησης. Τα ηλεκτρόνια που

7


φτάνουν λίγο µετά το δεύτερο όριο δεν επιταχύνονται αρκετά για να προλάβουν το ηλεκτρόνιο αναφοράς, και το ηλεκτρόνιο αναφοράς δε µπορεί να προλάβει όποιο ηλεκτρόνιο περάσει το κενό Α λίγο πριν το πρώτο όριο. Οι δέσµες επίσης φτάνουν στο catcher κενό µια φορά στον κύκλο εργασίας και µεταφέρουν ενέργεια σε αυτήν την κοιλότητα. Στις συνηθισµένες λυχνίες κενού, αν εφαρµοστεί µια µικρή RF τάση στο πλέγµα, µπορεί να προκαλέσει σηµαντικές µεταβολές στο ρεύµα ανόδου, οπότε και ελέγχει µεγάλα ποσά dc ισχύος ανόδου. Αντίστοιχα στο κλείστρον, µια µικρή RF ισχύς στη buncher κοιλότητα προκαλεί µεγάλους παλµούς ρεύµατος που εφαρµόζονται στην catcher κοιλότητα µε αποτέλεσµα το αξιοσηµείωτο κέρδος ισχύος. ∆ε χρειάζεται να πούµε ότι η catcher κοιλότητα διεγείρεται σε ταλαντώσεις στη δική της συχνότητα συντονισµού (που είναι ίση µε τη συχνότητα εισόδου), και µπορεί να επιτευχθεί µια µεγάλη ηµιτονοειδής έξοδος λόγω του flywheel φαινοµένου στον συντονιστή εξόδου (output resonator).

11-2.2 Πρακτικές Θεωρήσεις

Η κατασκευή του κλείστρον του προσφέρει δύο πρακτικές µικροκυµατικές εφαρµογές: ως multicavity ενισχυτής ισχύος (multicavity power amplifier) ή ως ταλαντωτής ισχύος δύο κοιλοτήτων (two-cavity power oscillator).

Multicavity klystron amplifier. Η διαδικασία δεσµοποίησης-οµαδοποίησης σε

ένα κλείστρον δύο κοιλοτήτων (two-cavity klystron) δεν είναι υπό καµµία έννοια πλήρης: υπάρχει ένας µεγάλος αριθµός ηλεκτρονίων εκτός φάσης τα οποία φτάνουν στην catcher κοιλότητα ανάµεσα στις δέσµες. Συνεπώς, σε πρακτικούς ενισχυτές κλείστρον χρησιµοποιούνται πάντοτε περισσότερες των δύο κοιλότητες. Στο Σχ.11-6 φαίνονται τέσσερεις κοιλότητες στον ενισχυτή κλείστρον, ενώ στην πράξη έχουν χρησιµοποιηθεί µέχρι και εφτά κοιλότητες. Σε αυτές τις περιπτώσεις, µερικώς δεσµοποιηµένοι παλµοί ρεύµατος θα διεγείρουν ταλαντώσεις στις ενδιάµεσες κοιλότητες. Οι κοιλότητες αυτές, µε τη σειρά τους, εγκαθιστούν κενά τάσεων που βοηθούν στην παραγωγή περισσότερο ολοκληρωµένης δεσµοποίησης. Η παρουσία των επιπλέον κοιλοτήτων βοηθά στο να βελτιώσουµε σηµαντικά την απόδοση και το κέρδος ισχύος. Οι κοιλότητες µπορούν να συγχρονιστούν όλες στην ίδια συχνότητα, οπότε η σύγχρονη ρύθµιση (synchronous tuning) χρησιµοποιείται για λειτουργία στενής ζώνης. Για λειτουργία ευρείας ζώνης, για παράδειγµα µε UHF κλείστρον που χρησιµοποιείται σε λυχνίες εξόδου ποµπών τηλεόρασης, ή σε 6 GHz λυχνίες που χρησιµοποιούνται ως ενισχυτές ισχύος σε κάποιους δορυφορικούς ποµπούς, χρησιµοποιείται stagger tuning. Εδώ, οι ενδιάµεσες κοιλότητες συγχρονίζονται σε µια από τις πλευρές της κεντρικής συχνότητας, βελτιώνοντας σηµαντικά το εύρος ζώνης. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η κοιλότητα Q είναι τόσο υψηλή, ώστε το stagger tuning είναι απαραίτητο για εύρη ζώνης πολύ µεγαλύτερα του 1%.

8


Σχήµα 11-6 Σχηµατικό διάγραµµα ενισχυτή klystron µε τέσσερεις κοιλότητες.

Two-cavity klystron oscillator. Εάν ένα µέρος του σήµατος στην catcher

κοιλότητα συνδεθεί πίσω στην buncher κοιλότητα, τότε θα λάβουν χώρα ταλαντώσεις. Όπως και µε άλλες ταλαντώσεις, η ανάδραση θα πρέπει να έχει τη σωστή πολικότητα και επαρκές πλάτος. Το σχηµατικό διάγραµµα ενός τέτοιου ταλαντωτή φαίνεται στο Σχ.11-4, εκτός από την προσθήκη ενός (µόνιµου) βρόγχου ανάδρασης. Οι ταλαντώσεις σε ένα κλείστρον δύο κοιλοτήτων συµπεριφέρονται όπως και σε κάθε άλλο ταλαντωτή ανάδρασης. Έχοντας αρχίσει µε έναν διακόπτη µετάβασης (switching transients) ή παλµό θορύβου, συνεχίζουν όσο υπάρχει µια dc ισχύς.

Απόδοση και Εφαρµογές. Το multicavity klystron χρησιµοποιείται ως

ενισχυτής µέσης-, υψηλής- και πολύ υψηλής ισχύος στις περιοχές των UHF και των µικροκυµάτων, για συνεχής ή παλµική λειτουργία. Η περιοχή συχνοτήτων που καλύπτει είναι από περίπου 250 MHz έως πάνω από 95 GHz και η ισχύς που προσφέρει είναι πολύ υψηλότερη από αυτή που µέχρι τώρα χρειάζεται. Ο πίνακας 11-1 δείχνει την κατάσταση αυτή.

Πίνακας 11-1 Απόδοση και Εφαρµογές Ενισχυτή Klystron

Ο πίνακας αυτός συγκεντρώνει τις απαιτήσεις ισχύος των βασικότερων

εφαρµογών του ενισχυτή κλείστρον και δείχνει πόσο οι διατάξεις είναι ικανές να τις ικανοποιήσουν. Το κέρδος του κλείστρον είναι επίσης επαρκές. Κυµαίνεται από 30-35 dB στα UHF έως 60-65 dB στα µικροκύµατα. Αυτά τα υψηλά κέρδη δείχνουν ότι το κλείστρον είναι γενικά η µόνη µη-ηµιαγωγική διάταξη σε ενισχυτές υψηλής ισχύος.

Οι τρέχουσες βελτιώσεις στο κλείστρον βοηθούν στο να καλυτερέψουµε την απόδοση, τη µακροβιότητα και να µειώσουµε το µέγεθος. Τυπικές αποδόσεις είναι περίπου 35-50%. Για να βελτιώσουµε την αξιοπιστία και το MTBF (mean time

9


between failure - µέσος χρόνος µεταξύ ζηµιών), χρησιµοποιούνται πλέον κάθοδοι βολφραµίου-ιριδίου για να µειώσουν τη θερµοκρασία της λυχνίας και έτσι να παρέχουν µεγαλύτερο χρόνο ζωής. Σχετικά µε το µέγεθος, ένα τυπικό κλείστρον 50 KW UHF, όπως φαίνεται στο Σχ.11-6, µπορεί να είναι πάνω από 2 m µακρύ, µε βάρος περίπου 250 Kg. Όπως φαίνεται ίσως και στο Σχ.11-6, ένα µεγάλο µέρος του όγκου του (συνήθως πάνω από τα δύο τρίτα), οφείλεται στο µαγνήτη.

Ο ταλαντωτής κλείστρον δύο κοιλοτήτων δε χρησιµοποιείται πολύ πλέον, και έχει αντικατασταθεί από CW magnetrons, ηµιαγωγικές διατάξεις και το υψηλό κέρδος του κλείστρον και των ενισχυτών TWT.

Περαιτέρω Πρακτικά Θέµατα. Οι ενισχυτές multicavity klystron πάσχουν

από θόρυβο που προκαλείται λόγω της µη ολοκληρωµένης δεσµοποίησης, οπότε και τα ηλεκτρόνια φτάνουν τυχαία στην catcher κοιλότητα. Αυτό τους κάνει πολύ θορυβώδεις για χρήση σε δέκτες, ενώ τα τυπικά επίπεδα των 35 dB θορύβου τους καθιστά περισσότερο από επαρκείς για δέκτες.

Σχήµα 11-7 Παλµικός ενισχυτής klystron τριών κοιλοτήτων µε πλέγµα

διαµόρφωσης. Επειδή ο χρόνος για να περάσει µια δέσµη ηλεκτρονίων µέσα από την drift

λυχνία επηρεάζεται σαφώς από την τάση του συλλέκτη, η τάση αυτή θα πρέπει να ρυθµίζεται. Πραγµατικά, η παροχή ισχύος για τα κλείστρον είναι σχετικά περίπλοκη: µε ένα ρυθµιζόµενο 9 KV στα 750 mA ρεύµα συλλέκτη να απαιτείται για ένα τυπικό τηλεπικοινωνιακό κλείστρον. Αντίστοιχα, όταν ένας ενισχυτής κλείστρον πάλλεται, οι παλµοί αυτοί συνήθως εφαρµόζονται στο συλλέκτη. Οι παλµοί αυτοί θα πρέπει να είναι επίπεδοι, διαφορετικά θα πραγµατοποιηθούν µετατοπίσεις συχνότητας (µέσα στα όρια που επιβάλλει το εύρος ζώνης της κοιλότητας). Ως µια εναλλακτική σε αυτό, και επειδή οι παλµοί στο συλλέκτη καταναλώνουν υψηλή ισχύ, έχει αναπτυχθεί διαµόρφωση ενός ειδικού πλέγµατος, όπως φαίνεται στο Σχ.11-7. Ένα τυπικό κέρδος των 20 είναι διαθέσιµο µεταξύ αυτού του ηλεκτροδίου και του συλλέκτη, µειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις ισχύος διαµόρφωσης κατά 20 φορές. Επίσης, διαµόρφωση πλάτους του κλείστρον µπορεί να εφαρµοστεί µέσω αυτού του πλέγµατος. Ωστόσο, αν απαιτείται γραµµικό πλάτος, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι ο ενισχυτής φτάνει σε κορεσµό στο 70% περίπου της µέγιστης ισχύος εξόδου. Πέρα από αυτό το σηµείο, η έξοδος εξακολουθεί να αυξάνεται µε την είσοδο, αλλά όχι πλέον γραµµικά. Ο κορεσµός αυτός δεν είναι τόσο σηµαντικό πρόβληµα, αφού οι περισσότερες CW εφαρµογές του multicavity klystron σχετίζονται µε διαµόρφωση συχνότητας. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, για παράδειγµα σε µια τροποσφαιρική σύνδεση, το

10


κλείστρον απλά ενισχύει το σήµα που είναι ήδη διαµορφωµένο στη συχνότητα και σε ένα σταθερό πλάτος.

11-3 REFLEX KLYSTRON

Είναι δυνατό να παραχθούν ταλαντώσεις σε µια διάταξη κλείστρον που να έχει µόνο µια κοιλότητα, µέσα από την οποία τα ηλεκτρόνια περνούν δύο φορές. Αυτό είναι το reflex klystron, το οποίο θα περιγράψουµε στη συνέχεια.

11-3.1 Θεµελιώδη

Το reflex klystron είναι ένας µικροκυµατικός ταλαντωτής χαµηλής ισχύος και χαµηλής απόδοσης, ενώ φαίνεται σχηµατικά στο Σχ.11-8. Έχει ένα πολυβόλο ηλεκτρονίων, όµοιο µε αυτό του multicavity klystron αλλά µικρότερο. Επειδή η συσκευή είναι µικρή σε µήκος, ο λωβός δε χρειάζεται εστίαση. Ο λωβός, αφού δηµιουργηθεί, επιταχύνεται προς την κοιλότητα, στην οποία έχει εφαρµοστεί µια υψηλή θετική τάση και, όπως φαίνεται, δρα ως άνοδος. Τα ηλεκτρόνια περνούν γρήγορα αυτήν την κοιλότητα και συνεχίζουν προς το επόµενο ηλεκτρόδιο, στο οποίο δε θα φτάσουν ποτέ. Αυτό το απωθητικό (repeller) ηλεκτρόδιο έχει µια σχετικά υψηλή αρνητική τάση και παίρνονται προφυλάξεις ώστε να µη βοµβαρδιστεί από κάποιο ηλεκτρόνιο. Εποµένως, τα ηλεκτρόνια της δέσµης φτάνουν σε κάποιο σηµείο στο χώρο αυτού του ηλεκτροδίου, µετά γυρίζουν πίσω και τελικά καταναλώνονται στην κοιλότητα ανόδου. Αν οι τάσεις ρυθµιστούν κατάλληλα, τα ηλεκτρόνια έχοντας πάρει µεγαλύτερη ενέργεια από το κενό από αυτήν που πήραν από αυτό, υπόκεινται σε συνεχείς ταλαντώσεις.

Σχήµα 11-8 Σχηµατικό διάγραµµα reflex klystron.

Λειτουργία. Όπως και στο multicavity klystron, ο µηχανισµός λειτουργίας

γίνεται καλύτερα αντιληπτός µελετώντας τη συµπεριφορά κάθε ηλεκτρονίου. Αυτή τη φορά ωστόσο, ως ηλεκτρόνιο αναφοράς θα θεωρήσουµε εκείνο που περνά το κενό στο δρόµο του για το απωθητικό κατά τη χρονική στιγµή που η τάση του κενού είναι µηδέν και πηγαίνει προς τα αρνητικά. Το ηλεκτρόνιο αυτό φυσικά δεν επηρεάζεται, προσπερνά το κενό, και τελικά επιστρέφει σε αυτό, έχοντας διεισδύσει σε µια απόσταση στο χώρο του απωθητικού. Ένα ηλεκτρόνιο που περνά το κενό ελαφρώς νωρίτερα, θα συναντήσει µια λίγο θετική τάση στο κενό. Η προκύπτουσα επιτάχυνση θα προωθήσει το ηλεκτρόνιο λίγο περισσότερο µέσα στο χώρο του απωθητικού. Έτσι, το ηλεκτρόνιο χρειάστηκε λίγο περισσότερο χρόνο από το ηλεκτρόνιο αναφοράς για να επιστρέψει στο κενό. Οµοίως, ένα ηλεκτρόνιο που περνά το κενό λίγο αργότερα από το ηλεκτρόνιο αναφοράς θα αντιµετωπίσει µια ελαφρώς αρνητική τάση. Η προκύπτουσα επιβράδυνση θα µικρύνει την παραµονή του στο χώρο του απωθητικού.

11


Άρα φαίνεται ότι γύρω από το ηλεκτρόνιο αναφοράς, τα νωρίτερα ηλεκτρόνια θέλουν περισσότερο χρόνο για να επιστρέψουν στο κενό σε σχέση µε τα αργότερα ηλεκτρόνια, και έτσι έχουν δηµιουργηθεί οι κατάλληλες συνθήκες για να πραγµατοποιηθεί δεσµοποίηση. Η κατάσταση αυτή µπορεί να εξακριβωθεί πειραµατικά πετώντας µια σειρά από πέτρες προς τα πάνω: αν οι πρώτες πέτρες πεταχτούν δυνατότερα, δηλαδή επιταχυνθούν περισσότερο από τις αργότερες, είναι πιθανό να φτάσουν όλες ταυτόχρονα στη γη, δηλαδή σα µια δέσµη.

Έτσι λοιπόν φαίνεται, όπως και στο multicavity klystron, ότι στο χώρο του απωθητικού η διαµόρφωση ταχύτητας µετατρέπεται σε διαµόρφωση ρεύµατος, και σε κάθε κύκλο ταλάντωσης δηµιουργείται µια δέσµη. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η δεσµοποίηση στην περίπτωση αυτή δεν είναι τόσο πλήρης, οπότε το reflex klystron είναι πολύ λιγότερο αποδοτικό από το multicavity klystron.

Χρόνος Μετάβασης. Ως συνήθως µε τις ταλαντώσεις, θεωρούµε ότι αυτές

αρχίζουν από θόρυβο ή από ένα διακόπτη µετάβασης. Εποµένως, αυτό που πρέπει να δείξουµε τώρα είναι ότι η λειτουργία του reflex klystron είναι τέτοια ώστε να διατηρήσει αυτές τις ταλαντώσεις. Για να διατηρηθούν οι ταλαντώσεις, ο χρόνος µετάβασης στο χώρο του απωθητικού ή ο χρόνος που χρειάζεται το ηλεκτρόνιο αναφοράς για να φύγει από το κενό και να ξαναγυρίσει να έχει τη σωστή τιµή.

Ο πιο κατάλληλος χρόνος αναχώρησης είναι προφανώς κεντραρισµένος στο ηλεκτρόνιο αναφοράς, στο σηµείο των 180o της ηµιτονοειδούς τάσης κατά µήκος του κενού συντονισµού (gap resonator). Είναι επίσης ενδιαφέρον να παρατηρήσουµε ότι, ιδανικά, δεν καταναλώνεται κανένα ποσό ενέργειας κατά τη διαµόρφωση-ταχύτητας της δέσµης ηλεκτρονίων. Οµολογουµένως, χρειάζεται κάποια ενέργεια για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων, αλλά το ίδιο ποσό ενέργειας κερδίζεται από την επιβράδυνσή τους. Εφόσον όσα ηλεκτρόνια επιταχύνονται, τόσα και επιβραδύνονται από την τάση του κενού, η συνολική δαπάνη ενέργειας είναι µηδενική. Αυτό, στην πραγµατικότητα, αναδεικνύει ένα άλλο σηµαντικό σηµείο: ενέργεια καταλίσκεται για την επιτάχυνση των σωµάτων (ηλεκτρόνια στην περίπτωσή µας), αλλά και ενέργεια κερδίζεται επιβραδύνοντάς τα. Το πρώτο σηµείο της πρότασης είναι προφανές, ενώ το δεύτερο µπορεί να παρατηρηθεί µέσω ενός απλού πειράµατος που αποτελείται από µια κούνια και ένα παιδάκι. Καθώς το παιδί κουνιέται ελεύθερα, επιβράδυνε την κούνια και µέτρησε το ποσό της ενέργειας που απορρόφησες.

Άρα, είναι ευδιάκριτο ότι ο καλύτερος δυνατός χρόνος για να επιστρέψουν τα ηλεκτρόνια στο κενό είναι όταν η τάση κατά µήκος του κενού θα προκαλέσει τη µέγιστη επιβράδυνση σε αυτά. Αυτή η στιγµή είναι όταν η τάση είναι µέγιστη θετική (στο δεξιό µέρος του κενού στο Σχ.11-8). Τα ηλεκτρόνια µετά πέφτουν ανάµεσα στα πλέγµατα του κενού (µε τη µέγιστη αρνητική τάση), δίνοντας τη µέγιστη ενέργεια σε αυτό. Ο καλύτερος χρόνος για να επιστρέψουν τα ηλεκτρόνια στο κενό είναι στο σηµείο 90ο της ηµιτονοειδούς τάσης του κενού. Η επιστροφή µετά από 1 ¾ κύκλους προφανώς ικανοποιεί τις απαιτήσεις αυτές. Μπορεί να ειπωθεί ότι:

43+= nT

όπου Τ = χρόνος µετάβασης των ηλεκτρονίων στο χώρο του απωθητικού, κύκλοι

n = ακέραιος Καταστάσεις (Modes). Ο χρόνος µετάβασης προφανώς εξαρτάται από την

τάση του απωθητικού και της ανόδου, οπότε και οι δύο θα πρέπει να ρυθµιστούν προσεκτικά. Αφού η κοιλότητα ρυθµιστεί στη σωστή συχνότητα, και οι δύο τάσεις ρυθµίζονται ώστε να δώσουν τη σωστή τιµή στο Τ από δεδοµένα που παρέχονται από

12


τον κατασκευαστή. Κάθε συνδυασµός από επιτρεπόµενες τάσεις ανόδου-απωθητικού θα παρέχουν τις κατάλληλες συνθήκες για ταλαντώσεις για κάποια τιµή του n. Με τη σειρά της, κάθε τιµή n λέγεται ότι αντιστοιχεί σε µια διαφορετική κατάσταση-λειτουργία (mode) του reflex klystron. Πρακτικοί χρόνοι µετάβασης αντιστοιχούν στην κλίµακα των 1 ¾ έως 6 ¾ κύκλων της τάσης κενού. Καταστάσεις που αντιστοιχούν σε n=2 ή n=3 είναι αυτές που χρησιµοποιούνται περισσότερο στους reflex klystron ταλαντωτές.


Απόδοση. Τα Reflex klystron µε εσωτερικές κοιλότητες διατίθενται για συχνότητες από 4 έως 200 GHz. Μια τυπική ισχύς εξόδου είναι 100 mW, αλλά οι συνολικές µέγιστες ισχύες κυµαίνονται από 3 W στην Χ-band έως 10 mW στα 220 GHz. Τυπικές αποδόσεις είναι κάτω του 10%, περιορίζοντας τον ταλαντωτή σε εφαρµογές χαµηλής ισχύος.

Ένα τυπικό X-band Reflex klystron φαίνεται στο Σχ.11-9, σχεδόν µισό του πραγµατικού µεγέθους. Το απόκοµµα αυτό αποκαλύπτει την εσωτερική κατασκευή του πυροβόλου ηλεκτρονίων. Επίσης, είναι ορατό µέρος της κοιλότητας, δείχνοντας τη µικρότητα του κενού και την εγγύτητα του απωθητικού. Στα αριστερά, φαίνονται οι µηχανισµοί ρύθµισης και στα δεξιά, το παράθυρου εξόδου του κυµατοδηγού.

Ρύθµιση (Tuning). Το κλείστρον του Σχ.11-9 έχει µια εσωτερική κοιλότητα,

αλλά είναι δυνατές και αποσπώµενες κοιλότητες, όπως και στους ενισχυτές κλείστρων. Η συχνότητα συντονισµού (frequency of resonance) ρυθµίζεται µηχανικά µε κάποια από τις µεθόδους που συζητήθηκαν στην ενότητα 10-4.2 (βίδα, bellows ή το πιο δηµοφιλές dielectric insert). Αυτή η µηχανική ρύθµιση µπορεί να δώσει µεταβολή συχνότητας πρακτικά +/- 20 MHz στην X-band έως +/- 4 GHz στα 200 GHz. Επίσης είναι δυνατή ηλεκτρονική ρύθµιση, µέσω της τάσης απωθητικού. Η περιοχή ρύθµισης είναι περίπου +/- 8 MHz στην X-band και +/- 80 ΜHz σε submillimeter κλείστρον. Η συσκευή είναι επίσης πολύ εύκολο να διαµορφωθεί στη συχνότητα, απλά εφαρµόζοντας την τάση διαµόρφωσης στο απωθητικό.

Σχήµα 11-9 Απόκοµµα φωτογραφίας που δείχνει την κατασκευή του reflex klystron.

13


Προστασία Απωθητικού (Repeller Protection). Είναι σηµαντικό να είµαστε σίγουροι ότι το απωθητικό ποτέ δεν αντλεί ρεύµα όταν γίνεται θετικό σε σχέση µε την κάθοδο. ∆ιαφορετικά, θα καταστραφεί γρήγορα από τα ηλεκτρόνια υψηλής ταχύτητας, αλλά και από υπερθέρµανση. Συνήθως χρησιµοποιείται µια αντίσταση καθόδου για να εξασφαλίσει ότι το απωθητικό δε µπορεί να γίνει θετικότερο της καθόδου, ακόµα κι όταν η τάση του απωθητικού πέφτει. Άλλες προφυλάξεις περιλαµβάνουν µια προστατευτική δίοδος ή µια διευθέτηση ώστε η τάση απωθητικού να εφαρµόζεται πριν την τάση καθόδου. Οι προδιαγραφές των κατασκευαστών γενικά αναφέρουν τις απαραίτητες προφυλάξεις.

Εφαρµογές. Ο ταλαντωτής κλείστρον έχει αντικατασταθεί από διάφορους

ηµιαγωγικούς ταλαντωτές σε ένα µεγάλο αριθµό από τις προηγούµενες εφαρµογές του στους νέους εξοπλισµούς. Μπορεί να βρεθεί σε ένα µεγάλο µέρος του υπάρχοντος εξοπλισµού, όπως:

Πηγή σήµατος στις µικροκυµατικές γεννήτριες Τοπικός ταλαντωτής σε µικροκυµατικούς δέκτες ∆ιαµορφωµένος στη συχνότητα ταλαντωτής σε φορητούς µικροκυµατικούς συνδέσµους

Ταλαντωτής αντλίας (pump oscillator) σε παραµετρικούς ενισχυτές Το reflex klystron αποτελεί ακόµα έναν χρήσιµο millimeter και submillimeter

ταλαντωτή, παράγοντας περισσότερη ενέργεια στις υψηλότερες συχνότητες σε σχέση µε τους περισσότερες ηµιαγωγικές διατάξεις, µε πολύ χαµηλό AM και FM θόρυβο.

11-4 MAGNETRON

Το magnetron κοιλότητας ή οδεύοντος κύµατος (cavity magnetron or travelling wave magnetron) είναι ένας µικροκυµατικός ταλαντωτής υψηλής ισχύος που εφευρέθηκε στη Μ.Βρετανία από τους Randall και Boot. Είναι µια δίοδος που χρησιµοποιεί την αλληλεπίδραση µαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων σε µια περίπλοκη κοιλότητα για να προσφέρει ταλαντώσεις πολύ υψηλής ισχύος αιχµής (peak power) (το αυθεντικό έδωσε πλεόνασµα 100 KW στα 3 GHz). Είναι αλήθεια να πει κανείς ότι χωρίς το magnetron κοιλότητας, το µικροκυµατικό ραντάρ θα είχε καθυστερήσει και θα είχε έρθει αρκετά αργά ώστε να µη γίνει ο σηµαντικός παράγοντας που ήταν στο Β' Παγκόσµιο Πόλεµο.

11-4.1 Εισαγωγή

Το magnetron κοιλότητας δεν ήταν το πρώτο magnetron που εφευρέθηκε, αλλά ήταν σίγουρα το πρώτο χρήσιµο. Το πρώτο magnetron µελετήθηκε στις ΗΠΑ από τον E.W.Hull, αλλά πέρασε γρήγορα σε αχρηστία. Χρησιµοποίησε τη λεγόµενη αρχή cyclotron resonance, αλλά έπασχε από ακανόνιστη συµπεριφορά, χαµηλή ισχύς και πολύ χαµηλή απόδοση στο µικροκυµατικό φάσµα. Μια κάπως βελτιωµένη έκδοση εµφανίστηκε αργότερα, που χρησιµοποίησε τις λεγόµενες ταλαντώσεις Habann, προς τιµή του εφευρέτη τους. Το magnetron κοιλοτήτων των Randall και Boot χρησιµοποίησε την αρχή του οδεύοντος κύµατος (travelling wave principle), στην οποία βασίζεται το σύγχρονο magnetron (όπως και οι υπόλοιπες συσκευές που περιγράφονται σε αυτό το κεφάλαιο, π.χ. το TWT).

Περιγραφή του magnetron κοιλοτήτων (cavity magnetron). Το magnetron

κοιλοτήτων, που στη συνέχεια θα αναφέρεται ως magnetron, είναι µια δίοδος, συνήθως κυλινδρικής κατασκευής. Χρησιµοποιεί ένα ακτινωτό ηλεκτρικό πεδίο, ένα

14


αξονικό µαγνητικό πεδίο και µια δοµή ανόδου µε µόνιµες κοιλότητες. Όπως φαίνεται στο Σχ.11-10, η κυλινδρική κάθοδος περιβάλλεται από την άνοδο µε τις κοιλότητες, οπότε υπάρχει ένα ακτινωτό dc ηλεκτρικό πεδίο. Το µαγνητικό πεδίο, λόγω ενός µαγνήτη, όπως αυτού του Σχ.11-11, είναι αξονικό, δηλαδή έχει γραµµές µαγνητικής ισχύος που περνούν µέσα από την κάθοδο και τον γύρω χώρο αλληλεπίδρασης. Το µαγνητικό πεδίο είναι επίσης dc, και εφόσον είναι κάθετο στο επίπεδο του ακτινωτού ηλεκτρικού πεδίου, το magnetron καλείται crossed-field συσκευή.

Σχήµα 11-10 ∆ιατοµή ενός hole-and-slot magnetron.

Η έξοδος παίρνεται από µία από τις κοιλότητες, µέσω ενός οµοαξονικού

καλωδίου, όπως φαίνεται και στα Σχ.11-10 και 11-11, ή µέσω ενός κυµατοδηγού, ανάλογα µε την ισχύ και τη συχνότητα. Σε σχέση µε το Σχ.11-11, παρατηρούµε ότι το περιβάλλον της ανόδου έχει αφαιρεθεί για να κάνει ορατό το εσωτερικό. Παρατηρούµε επίσης, ότι η κοιλότητα έχει έναν κάπως διαφορετικό τύπο, που είναι ίδιος µε αυτόν του συντονιστή (resonator) του Σχ.10-37. Ο βρόγχος σύζευξης εξόδου οδηγεί σε µια κοιλότητα συντονισµού στην οποία συνδέεται ένας κυµατοδηγός, και η συνολική έξοδος του magnetron είναι µέσω ενός κυµατοδηγού. Οι δακτύλιοι που διασυνδέουν τους πόλους της ανόδου χρησιµοποιούνται για ευστάθεια, και ο λόγος ύπαρξής τους θα εξηγηθεί αργότερα. Τέλος, η άνοδος συνήθως φτιάχνεται από χαλκό, ανεξάρτητα από το σχήµα της.

Σχήµα 11-11 Τεµαχισµένο megnetron (τύπου vane) που δείχνει την εσωτερική κατασκευή και

το µαγνήτη.

15


Το magnetron έχει έναν αριθµό από κοιλότητες συντονισµού και έτσι θα πρέπει να έχει και έναν αριθµό από συχνότητες συντονισµού ή/και καταστάσεις ταλάντωσης. Οποιαδήποτε κατάσταση κι αν χρησιµοποιείται, θα πρέπει να είναι self-consistent. Για παράδειγµα, δεν είναι δυνατόν σε ένα magnetron οκτώ κοιλοτήτων (που χρησιµοποιείται συχνά στην πράξη) να χρησιµοποιείται µια κατάσταση στην οποία η διαφορά φάσης ανάµεσα σε γειτονικά κοµµάτια της ανόδου να είναι 30ο. Αν γινόταν αυτό, η συνολική µετατόπιση φάσης γύρω από την άνοδο θα ήταν 8x30ο=240ο, που σηµαίνει ότι ο πρώτος πόλος θα ήταν 120ο εκτός φάσης µε τον εαυτό του! Μια απλή παρατήρηση µας δείχνει ότι η µικρότερη πρακτική διαφορά φάσης που µπορεί να υπάρξει µεταξύ γειτονικών ανοδικών πόλων είναι 45ο, ή π/4 rad, δίνοντας µια self-consistent συνολική µετατόπιση φάσης των 360ο. Αυτός ο π/4 τρόπος λειτουργίας - κατάσταση σπάνια χρησιµοποιείται στην πράξη, επειδή δεν αποδίδει επιθυµητά χαρακτηριστικά, ενώ η π κατάσταση χρησιµοποιείται συνήθως για σχετικά πολύπλοκους λόγους (θα µελετηθεί µε λεπτοµέρεια στην ενότητα 11-4.2).

Επίδραση του µαγνητικού πεδίου. Εφόσον όλα τα ηλεκτρόνια που

εκπέµπονται από την κάθοδο του magnetron θα βρίσκονται υπό την επίδραση του dc µαγνητικού πεδίου, όπως και του ηλεκτρικού, θα πρέπει να ερευνήσουµε τη συµπεριφορά των ηλεκτρονίων αρχικά µέσα στο µαγνητικό πεδίο. Παρατηρήστε ότι η συµπεριφορά είναι ίδια µε αυτήν που συζητήθηκε στην ενότητα 10-5.2 σε σχέση µε τους σιδηρίτες. Εκεί, τα ηλεκτρόνια βρίσκονταν στην κρυσταλλική δοµή ενός µαγνητικού υλικού, ενώ εδώ κινούνται στο κενό του χώρου αλληλεπίδρασης της ανόδου.

Ένα κινούµενο ηλεκτρόνιο αποτελεί ρεύµα, και εποµένως, το µαγνητικό πεδίο ασκεί µια δύναµη σε αυτό, όπως ακριβώς ασκεί µια δύναµη σε ένα καλώδιο που φέρει ρεύµα. Η δύναµη αυτή έχει µέτρο ανάλογο του γινοµένου B·e·v, όπου e και v είναι το φορτίο και η ταχύτητα του ηλεκτρονίου, και Β είναι η συνιστώσα του µαγνητικού πεδίου σε επίπεδο κάθετο στην κατεύθυνση κίνησης του ηλεκτρονίου. Η δύναµη που ασκείται στο ηλεκτρόνιο είναι κάθετη στις δύο άλλες κατευθύνσεις. Εάν το ηλεκτρόνιο κινείται οριζόντια µπροστά, και το µαγνητικό πεδίο δρα κάθετα προς τα κάτω, η διαδροµή του ηλεκτρονίου θα καµφθεί προς τα αριστερά. Εφόσον το µαγνητικό πεδίο είναι σταθερό, η δύναµη αυτή (και άρα η ακτίνα της καµπύλωσης) θα εξαρτάται µόνο από την προς τα εµπρός (ακτινωτή) ταχύτητα του ηλεκτρονίου.

Επίδραση του µαγνητικού και ηλεκτρικού πεδίου. Όταν το µαγνητικό και το

ηλεκτρικό πεδίο δρουν ταυτόχρονα στο ηλεκτρόνιο, η διαδροµή του µπορεί να έχει έναν αριθµό σχηµάτων που καθορίζονται από τη σχετική δύναµη των αµοιβαίως κάθετων πεδίων. Κάποιες από αυτές τις διαδροµές ηλεκτρονίων φαίνονται στο Σχ.11-12 απουσία ταλαντώσεων σε ένα magnetron, στο οποίο το ηλεκτρικό πεδίο είναι σταθερό και ακτινωτό και το αξονικό µαγνητικό πεδίο µπορεί να έχει έναν αριθµό τιµών.

Όταν το µαγνητικό πεδίο είναι µηδενικό, τα ηλεκτρόνια πάνε κατευθείαν από την κάθοδο στην άνοδο, επιταχυνόµενα συνεχώς υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό φαίνεται από τη διαδροµή x στο Σχ.11-12. Όταν το µαγνητικό πεδίο έχει µια µικρή τιµή, θα ασκήσει µια πλευρική δύναµη στο ηλεκτρόνιο και στρέψει τη διαδροµή προς τα αριστερά. Παρατηρήστε, όπως φαίνεται από τη διαδροµή y στο Σχ.11-12, ότι η κίνηση του ηλεκτρονίου δεν είναι πλέον ευθύγραµµη. Καθώς πλησιάζει την άνοδο, η ταχύτητά του συνεχίζει να αυξάνει κυκλικά καθώς επιταχύνει. Η επίδραση του µαγνητικού πεδίου σε αυτό επίσης αυξάνει, ώστε η καµπυλότητα της διαδροµής να γίνεται πιο απότοµη καθώς πλησιάζει στην άνοδο.

16


Σχήµα 11-12 ∆ιαδροµές ηλεκτρονίων στο magnetron χωρίς ταλαντώσεις, που δείχνουν την

επίδραση του αυξανόµενου µαγνητικού πεδίου. Είναι δυνατό να κάνουµε το µαγνητικό πεδίο τόσο ισχυρό, ώστε τα ηλεκτρόνια

να µη φτάσουν καθόλου την άνοδο. Το µαγνητικό πεδίο που απαιτείται για να επιστρέψει τα ηλεκτρόνια στην κάθοδο µόλις αυτά έχουν "ξύσει" την άνοδο, λέγεται πεδίο αποκοπής (cutoff field). Η διαδροµή που προκύπτει είναι η z στο Σχ.11-12. Η γνώση της τιµής του απαιτούµενου µαγνητικού πεδίου είναι σηµαντική, επειδή το πεδίο αποκοπής µειώνει το ρεύµα ανόδου στο µηδέν απουσία ταλαντώσεων. Εάν το µαγνητικό πεδίο είναι ακόµη ισχυρότερο, τότε οι διαδροµές των ηλεκτρονίων θα καµφθούν περισσότερο και τα ηλεκτρόνια θα επιστρέψουν στην κάθοδο ακόµη πιο νωρίς (απλά για να ξαναεκπεµφθούν). Όλες αυτές οι διαδροµές φυσικά αλλάζουν από την παρουσία RF πεδίου λόγω των ταλαντώσεων. Ωστόσο, τα παραπάνω φαινόµενα θα πρέπει να εκτιµηθούν ιδιαίτερα για δύο λόγους: Πρώτον, οδηγούν στην κατανόηση του ταλαντούµενου magnetron. ∆εύτερον, προκαλεί εντύπωση το γεγονός ότι αν δεν ταλαντώνεται το magnetron, όλα τα ηλεκτρόνια θα επιστρέψουν στην κάθοδο, η οποία θα υπερθερµανθεί και θα καταστρέψει τη λυχνία. Αυτό συµβαίνει επειδή στην πράξη, το εφαρµοζόµενο µαγνητικό πεδίο είναι πολύ µεγαλύτερο από το πεδίο αποκοπής.

11-4.2 Λειτουργία

Για άλλη µια φορά θα υποθέσουµε ότι οι ταλαντώσεις µπορούν να ξεκινήσουν σε µια συσκευή µε υψηλού-Q κοιλότητες συντονισµού. Στη συνέχεια θα εξηγήσουµε τους µηχανισµούς που συντηρούν αυτές τις ταλαντώσεις.

π-mode ταλαντώσεις. Όπως εξηγήθηκε προηγουµένως, οι self-consistent

ταλαντώσεις µπορούν να υπάρξουν µόνο αν η διαφορά φάσης µεταξύ γειτονικών ανοδικών πόλων είναι n·π/4, όπου n ακέραιος. Για καλύτερα αποτελέσµατα, στην πράξη χρησιµοποιείται n=4. Οι προκύπτουσες π-mode ταλαντώσεις φαίνονται στο Σχ.11-13 σε µια στιγµή όπου η RF τάση στον πάνω αριστερό πόλο είναι µέγιστη θετική. Θα πρέπει να συνειδητοποιηθεί ότι αυτές είναι ταλαντώσεις. Θα έρθει µια στιγµή, αργότερα στον κύκλο, όπου ο πόλος θα είναι ταυτόχρονα µέγιστος αρνητικός, ενώ σε µια άλλη στιγµή η RF τάση ανάµεσα στον πόλο και τον επόµενο θα είναι µηδέν.

17


Σχήµα 11-13 ∆ιαδροµές ηλεκτρονίων σε magnetron µε π-mode ταλαντώσεις.

Απουσία RF ηλεκτρικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια α και b θα είχαν ακολουθήσει

τις διαδροµές που φαίνονται µε στικτές γραµµές, αλλά το πεδίο τροποποιεί αυτές τις διαδροµές. Το σηµαντικό γεγονός είναι ότι κάθε κοιλότητα δρα µε τον ίδιο τρόπο σαν µια βραχυκυκλωµένη, quarter-wave γραµµή µεταφοράς. Κάθε κενό αντιστοιχεί σε ένα σηµείο µέγιστης τάσης στο προκύπτον standing-wave pattern, όπου το ηλεκτρικό πεδίο το επεκτείνει στον χώρο αλληλεπίδρασης της ανόδου (Σχ.11-13).

Επίδραση των συνδυασµένων πεδίων στα ηλεκτρόνια. Η παρουσία

ταλαντώσεων στο magnetron επιφέρει µια εφαπτοµενική (RF) συνιστώσα ηλεκτρικού πεδίου. Όταν το ηλεκτρόνιο α βρίσκεται στο σηµείο 1, η εφαπτοµενική συνιστώσα αντιτίθεται στην εφαπτοµενική ταχύτητα του ηλεκτρονίου. Το ηλεκτρόνιο επιβραδύνεται από το πεδίο και δίνει ενέργεια σε αυτό (όπως συµβαίνει και στο κλείστρον). Το ηλεκτρόνιο b είναι τοποθετηµένο έτσι ώστε να αποσπά την ίδια ενέργεια από το RF πεδίο. Για να διατηρηθούν οι ταλαντώσεις, θα πρέπει να δίνεται περισσότερη ενέργεια στο ηλεκτρικό πεδίο από ότι παίρνεται από αυτό. Ωστόσο, κάτι τέτοιο είναι δύσκολο επειδή υπάρχουν οι ίδιοι αριθµοί ηλεκτρονίων α και b. Παρατηρήστε ότι το ηλεκτρόνιο α περνά περισσότερο χρόνο στο RF πεδίο από το b. Το πρώτο επιβραδύνεται και έτσι η δύναµη του µαγνητικού πεδίου σε αυτό µειώνεται. Ως αποτέλεσµα, µπορεί τώρα να κινηθεί εγγύτερα της ανόδου. Εάν ρυθµίσουµε τις συνθήκες έτσι ώστε κατά το χρόνο που το ηλεκτρόνιο α φτάνει στο σηµείο 2 το πεδίο έχει αντίθετη πολικότητα, αυτό το ηλεκτρόνιο θα είναι για µια ακόµη φορά σε θέση να δώσει ενέργεια στο RF πεδίο (αν και επιβραδύνεται από αυτό). Η µαγνητική δύναµη στο α µειώνεται ακόµα µια φορά, και πραγµατοποιείται άλλη µία τέτοια αλληλεπίδραση (αυτή τη φορά στο σηµείο 3). Αυτό υποθέτει ότι καθόλες τις στιγµές που το ηλεκτρικό πεδίο έχει αντίθετη πολικότητα, το ηλεκτρόνιο αυτό φτάνει σε κατάλληλη θέση αλληλεπίδρασης. Με αυτόν τον τρόπο, ευνοηµένα ηλεκτρόνια ξοδεύουν σηµαντικό χρόνο στο χώρο αλληλεπίδρασης και είναι ικανά να περιστρέφονται γύρω από την κάθοδο αρκετές φορές προτού τελικά φτάσουν στην άνοδο.

Ωστόσο ένα ηλεκτρόνιο τύπου b υφίσταται µια συνολικά διαφορετική εµπειρία. Επιταχύνεται αυτοµάτως από το RF πεδίο, και έτσι η δύναµη που ασκείται σε αυτό από το µαγνητικό πεδίο αυξάνεται. Αυτό το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην κάθοδο ακόµη νωρίτερα από ότι αν απουσίαζε το RF πεδίο. Άρα, ξοδεύει πολύ περισσότερο χρόνο στο χώρο αλληλεπίδρασης από τα άλλα ηλεκτρόνια. Έτσι, αν και η αλληλεπίδρασή του µε το RF πεδίο του παίρνει µεγαλύτερη ενέργεια από αυτήν που του παρείχε το ηλεκτρόνιο α, συµβαίνουν λιγότερες αλληλεπιδράσεις τύπου b, επειδή

18


τέτοια ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην κάθοδο µετά από µία ή δύο αλληλεπιδράσεις. Από την άλλη µεριά, τα ηλεκτρόνια α δίνουν ενέργεια συνεχώς. Έτσι, φαίνεται ότι περισσότερη ενέργεια δίνεται στις RF ταλαντώσεις από ότι παίρνεται από αυτές, οπότε οι ταλαντώσεις συντηρούνται. Το µόνο πραγµατικό φαινόµενο των µη-ευνοηµένων ηλεκτρόνίων είναι ότι επιστρέφουν στην κάθοδο και την θερµαίνουν, οπότε δίνουν µια κατανάλωση τάξης 5% της κατανάλωσης της ανόδου. Αυτό είναι γνωστό ως back-heating και δεν είναι πραγµατικά µια συνολική απώλεια, επειδή είναι συνηθισµένο σε ένα magnetron να κλείνουµε την παροχή σχάρας (filament supply) µετά από κάποια λεπτά και απλά να βασιζόµαστε στο back-heating για τη διατήρηση της σωστής θερµοκρασίας καθόδου.

∆εσµοποίηση (Bunching). Μπορεί να δειχθεί ότι το magnetron κοιλοτήτων,

όπως και το κλείστρον, προκαλεί δεσµοποίηση ηλεκτρονίων, αλλά εδώ είναι γνωστό ως φαινόµενο εστίασης φάσης (phase-focusing effect). Το φαινόµενο αυτό είναι πολύ σηµαντικό. Χωρίς αυτό ευνοηµένα ηλεκτρόνια θα έµεναν πίσω της αλλαγής φάσης του ηλεκτρικού πεδίου κατά µήκος του κενού, εφόσον τέτοια ηλεκτρόνια επιβραδύνονται σε κάθε αλληλεπίδραση µε το RF πεδίο. Για να δούµε πώς λειτουργεί αυτό το φαινόµενο, είναι βολικότερο να θεωρήσουµε ένα άλλο ηλεκτρόνιο, όπως το c του Σχ.11-13.

Το ηλεκτρόνιο αυτό συνεισφέρει κάποια ενέργεια στο RF πεδίο. Ωστόσο, δε δίνει τόση όση το ηλεκτρόνιο α, επειδή η εφαπτοµενική συνιστώσα του πεδίου δεν είναι τόσο ισχυρή σε αυτό το σηµείο. Ως αποτέλεσµα, το ηλεκτρόνιο φαίνεται να είναι λιγότερο χρήσιµο από το α, αλλά αυτό ισχύει µόνο αρχικά. Το ηλεκτρόνιο c αντιµετωπίζει όχι µόνο ένα εξασθενηµένο εφαπτοµενικό RF πεδίο, αλλά και µια συνιστώσα του ακτινωτού RF πεδίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων κυκλικά προς τα έξω. Όταν αυτό γίνει, το dc µαγνητικό πεδίο ασκεί µια ισχυρότερη δύναµη στο ηλεκτρόνιο c, τείνοντας να το κάµψει πίσω στην κάθοδο, αλλά επιταχύνοντάς το στην αντίθετη κατεύθυνση των δεικτών του ρολογιού. Αυτό, µε τη σειρά του, δίνει σε αυτό το ηλεκτρόνιο µια πολύ καλή ευκαιρία να φτάσει το ηλεκτρόνιο α. Με παρόµοιο τρόπο, το ηλεκτρόνιο d (Σχ.11-13) θα επιβραδυνθεί εφαπτοµενικά από το dc µαγνητικό πεδίο. Εποµένως, το ευνοηµένο ηλεκτρόνιο θα το προλάβει. Άρα, δηµιουργείται µια δέσµη. Στην πραγµατικότητα, φαίνεται ότι όντας (ένα ηλεκτρόνιο) σε ευνοηµένη θέση σηµαίνει ότι είναι σε µια θέση ισορροπίας. Εάν ένα ηλεκτρόνιο αποκλίνει µπροστά ή πίσω, σύντοµα θα επιστρέψει στη σωστή θέση του σε σχέση µε το RF πεδίο, από το φαινόµενο εστίασης φάσης που µόλις περιγράφηκε.

Το Σχ.11-14 δείχνει αυτές τις δέσµες σε ένα magnetron κοιλοτήτων. Οι δέσµες αυτές περιστρέφονται αντίθετα από τη φορά των δεικτών του ρολογιού µε τη σωστή ταχύτητα ώστε να βρίσκονται σε συµφωνία µε τις µεταβολές της RF φάσης ανάµεσα σε δύο γειτονικούς πόλους ανόδου. Με αυτόν τον τρόπο, λαµβάνει χώρα µια συνεχόµενη ανταλλαγή ενέργειας, µε το RF πεδίο να λαµβάνει περισσότερη από αυτή που δίνει. Το RF πεδίο αλλάζει πολικότητα. Κάθε ευνοηµένο ηλεκτρόνιο, τη στιγµή που φτάνει απέναντι από το επόµενο κενό, συναντά την ίδια κατάσταση θετικού ανοδικού πόλου πάνω του και αριστερά, και αρνητικού ανοδικού πόλου επάνω του και δεξιά. ∆εν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι το ηλεκτρικό πεδίο από µόνο του περιστρέφεται αντίθετα της φοράς των δεικτών του ρολογιού µε την ίδια ταχύτητα της δέσµης των ηλεκτρονίων. Το magnetron κοιλοτήτων λέγεται magnetron οδεύοντος κύµατος λόγω ακριβώς αυτών των περιστρεφόµενων πεδίων.

19


Σχήµα 11-14 ∆εσµοποιηµένα σύννεφα ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από την κάθοδο

του magnetron (δε φαίνονται οι διαδροµές των ξεχωριστών ηλεκτρονίων).


Οι αρχές λειτουργίας ενός συστήµατος είναι σηµαντικές αλλά δεν δίνουν την ολική εικόνα του συγκεκριµένου συστήµατος. Παρακάτω, θα εξετασθεί ένας αριθµός άλλων σηµαντικών πτυχών των λειτουργιών ενός magnetron.

Strapping. Επειδή η λυχνία magnetron έχει οκτώ (ή παραπάνω) κοιλότητες

αντήχησης, είναι δυνατοί αρκετοί διαφορετικοί τρόποι ταλάντωσης. Οι συχνότητες ταλάντωσης που αντιστοιχούν σε κάθε τρόπο δεν είναι οι ίδιες. Κάποιες είναι αρκετά κοντά η µια στην άλλη, ώστε µέσω υπέρθεσης ρυθµών, µια ταλάντωση 3-cm π-mode, που είναι κανονική για µια συγκεκριµένη λυχνία magnetron, µπορεί, εσφαλµένα, να γίνει µια 3,05-cm 3/4 π-mode ταλάντωση. Το συνεχές ηλεκτρικό και το µαγνητικό πεδίο, εναρµονισµένα για µια π – ρυθµού αρµονική ταλάντωση θα συνεχίσουν να ενισχύουν την εσφαλµένου ρυθµού ταλάντωση µιας και η συχνότητά της δεν απέχει πολύ. Το αποτέλεσµα είναι ταλαντώσεις µειωµένης ισχύος, σε λάθος συχνότητες.

Λυχνίες magnetron µε πανοµοιότυπες κοιλότητες στην θήκη της ανόδου συνήθως χρησιµοποιούν strapping για να προλάβουν υπέρθεση ρυθµών. Τέτοια τεχνική φαίνεται στην Εικόνα 11-11 για συστήµατα vane cavity, και δείχνεται τώρα στην Εικόνα 11-15a για την hole-and-slot οργάνωση κοιλότητας. Το Strapping συνίσταται σε δυο δακτυλίους µεγάλης διαµέτρου που συνδέουν τους διαδοχικούς πόλους της ανόδου. Αυτοί είναι οι πόλοι που πρέπει να είναι σε φάση µε καθέναν από τους π-ρυθµούς. Ο λόγος της αποτελεσµατικότητας της µεθόδου γίνεται αντιληπτός ως εξής: µιας και η διαφορά φάσης µεταξύ δύο διαδοχικών πόλων είναι διάφορη του 2π σε άλλους ρυθµούς, αυτοί οι ρυθµοί προφανώς θα αποτραπούν. Η πραγµατική κατάσταση είναι κάπως πιο πολύπλοκη.

20


Σχήµα 11-15 (α) Λυχνία magnetron µε hole-and-slot και strapping (β) τµηµα ανόδου λυχνίας magnetron λυχνίας rising sun

Το strapping µπορεί να αποβεί αναποτελεσµατικό λόγω απωλειών στους

δακτυλίους σε πολύ υψηλής ισχύος λυχνίες magnetron ή λόγω δυσκολιών εφαρµογής του strapping σε πολύ υψηλές συχνότητες. Στην τελευταία περίπτωση οι κοιλότητες είναι µικρές και εν γένει πολλές (16 και 32 είναι τυπικοί αριθµοί), ώστε να εξασφαλίσουµε ότι ένα κατάλληλο RF πεδίο θα διατηρηθεί στον χώρο αλληλεπίδρασης. Έτσι ώστε, µε τόσους δυνατούς ρυθµούς ακόµα και το strapping να µην µπορεί να αποτρέψει την υπέρθεση ρυθµών. Μια πολύ καλή αντιµετώπιση έγκειται στην ύπαρξη µιας θήκης ανόδου µε ένα ζευγάρι κοιλοτήτων µε αρκετά ανόµοιο σχήµα και συχνότητα αντήχησης. Τέτοια είναι η δοµή ανόδου rising-sun που φαίνεται στην εικόνα 11-15β και έχει ως αποτέλεσµα την αποµόνωση της συχνότητας του π-ρυθµού ταλάντωσης από του υπολοίπους. Συνεπώς η λυχνία magnetron είναι απίθανο να ταλαντωθεί σε οποιαδήποτε άλλη συχνότητα , αφού το συνεχές πεδίο δεν θα τις ενισχύσει, σηµειώστε πως απαιτείται Strapping µε την rising sun λυχνία magnetron.

Μεταβολή της συχνότητας µε pulling & pushing. Θα πρέπει να γίνει

κατανοητό ότι η συχνότητα αντήχησης µιας λυχνίας magnetron µπορεί να µεταβληθεί αλλάζοντας την τάση στην άνοδο. Τέτοιο σπρώξιµο (pushing) στη συχνότητα οφείλεται στη µεταβολή στην τάση της ανόδου και έχει σαν αποτέλεσµα την αλλαγή της τροχιακής ταχύτητας του ηλεκτρονικού νέφους στην εικόνα 11-14. Αυτή η µεταβολή αλλάζει το ποσό µε το οποίο η ενέργεια δίνεται στο αντηχείο της ανόδου και για αυτό µεταβάλλεται η συχνότητα ταλάντωσης, στα όρια του εύρους της κοιλότητας. Το αποτέλεσµα όλων αυτών είναι ότι η µεταβολή της ισχύος θα προκύψει λόγω της ακούσιας µεταβολής της τάσης στην άνοδο, αλλά µε την τάση συντονισµού να είναι αρκετά εφικτή.

Όπως οποιοσδήποτε άλλος ταλαντωτής, η λυχνία magnetron είναι ευαίσθητη σε µεταβολές της συχνότητας οφειλόµενες σε αλλαγή της εµπέδησης. Αυτό ισχύει ανεξάρτητα εάν η µεταβολή της εµπέδησης είναι καθαρά ωµική ή περιέχει µεταβολή της άεργης αντίστασης, βέβαια είναι σαφώς πιο σοβαρό για το τελευταίο. Οι µεταβολές της συχνότητας γνωστές ως συχνοτηκό τράβηγµα (frequency pulling) προκαλούνται από µεταβολές της εµπέδηση που ανακλώνται µέσα στην κοιλότητα αντήχησης (cavity resonators) Αυτές πρέπει να προληφθούν αφού η λυχνία magnetron είναι ένας ταλαντωτής ισχύος. Αντίθετα µε άλλους ταλαντωτές δεν ακολουθείται από buffer.

Τα διάφορα χαρακτηριστικά µιας λυχνίας magnetron µαζί µε τους καλύτερους συνδυασµούς της τάση στην άνοδο και του µαγνητικού πεδίου αναπαριστώνται συνήθως σε διαγράµµατα αποδόσεως και σε διαγράµµατα Rieke. Από αυτά επιλέγονται οι καλύτερες συνθήκες λειτουργία.

11-4.4 Τύποι, Αποδόσεις και Εφαρµογές

Τύποι Λυχνιών Magnetron. Η λυχνία magnetron, ίσως περίστερο από κάθε άλλη λυχνία µικροκυµάτων, εµφανίζεται σε τόση µεγάλη ποικιλία τύπων σχεδίων και διευθετήσεων. Λυχνίες που χρησιµοποιούν δοµές hole–and–slot , vane και rising–sun cavities έχουν ήδη παρουσιαστεί. Η εικόνα 11- 16α δείχνει την δοµή ενός ακόµα τύπου λυχνίας µε αντλία αυτή τη φορά χρησιµοποιώντας all metal ceramic δοµή. Αυτός ο τύπος είναι σε ευρεία χρήση στα ναυτικά ραντάρ, αφού δηµιουργεί έναν

21


παλµό 25kW περίπου στην περιοχή των ακτινών Χ. Το συνολικό βάρος µιας τέτοιας λυχνίας είναι τυπικά 2kg. Μια πολύ υψηλής ισχύος λυχνία (5MW pulsed στα 3GHz) magnetron φαίνεται στην εικόνα 11- 16β. Φαίνεται χαρακτηριστικά µια άνοδο µε περίπου τρεις φορές το κανονικό µήκος και συνεπώς τον απαραίτητο όγκο και εξωτερικό εµβαδά για να επιτρέπει υψηλή διασπορά και έτσι µεγάλη ισχύς εξόδου. Μια τέτοια λυχνία έχει πάνω από 2 µέτρα ύψος και βάρος άνω των 60 kg χωρίς να συµπεριλαµβάνεται ο µαγνήτης.

Σχήµα 11-16 κατασκευές παλµικών λυχνιών magnetron (α) 20 kW συµβατική λυχνία

magnetron τύπου metal ceramic (β) 5ΜW ‘µεγάλης ανόδου’ οµοαξονική λυχνία magnetron. Ένα πολύ ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της εικόνας 11-16β είναι ότι φαίνεται µια

οµοαξονική λυχνία magnetron. Η διατοµή µιας οµοαξονικής διάταξης, όµοια µε αυτή στην εικόνα 11-16β γίνεται στην εικόνα 11-17. Όπως φαίνεται υπάρχει µια ολόκληρη οµοαξονική κοιλότητα παρούσα σε αυτή τη λυχνία. Ο σωλήνας είναι κατασκευασµένος έτσι ώστε τα Q της κοιλότητας να είναι πολύ υψηλότερα από αυτά στα διάφορα αντηχεία ώστε να είναι η οµοαξονική κοιλότητα που να καθορίζει την συχνότητα λειτουργίας. Ταλάντωσης σε αυτήν την κοιλότητα γίνεται στον οµοαξονικό ΤΕ0,1 στον οποίο το ηλεκτρικό πεδίο είναι κυκλικό, όπως και το µαγνητικό πεδίο στην εικόνα 10-13β. Είναι δυνατόν να µειωθούν οι τρόποι ταλαντώσεις των αντηχείων χωρίς να επηρεασθεί ο οµοαξονικός τρόπος, έτσι ώστε η υπερπήδηση τρόπων (mode jumping) να εξαλείφεται. Φαινόµενα συχνότητας pushing/pulling µειώνονται σηµαντικά, αφού το αυξηµένο εµβαδόν της ανόδου, σε σύγκριση µε µια συµβατική λυχνία magnetron, επιτρέπει καλύτερη διασπορά της θερµότητας και κατά συνέπεια µικρότερα µεγέθη για δοσµένη ισχύς εξόδου. Το MTBF µιας οµοαξονικής λυχνίας magnetron είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από ότι στις συµβατικές.

22


Σχήµα 11-17 διατοµή µιας οµοαξονικής λυχνίας magnetron. Το µαγνητικό πεδίο ( που φαίνεται

τώρα) είναι κάθετο στη σελίδα. Λυχνίες µε δυνατότητα frequency agile (dither tuning) είναι επίσης διαθέσιµες.

Μπορεί να είναι συµβατικές ή οµοαξονικές, µε τις πρώτες να διαθέτουν ένα πιστόνι που µπορεί να κατεβαίνει στην κοιλότητα αυξάνοντας ή µειώνοντας το µέγεθος της και κατά συνέπεια και την συχνότητα λειτουργίας της. Το πιστόνι ελέγχεται από σερβοκινητήρα µέσω επεξεργαστή επιτρέποντας ευρείες µεταβολές συχνότητας να εκτελούνται γρήγορα. Αυτό µπορεί να είναι πλεονέκτηµα στα ραντάρ, όπου µπορεί να απαιτείται να σταλεί µια σειρά παλµών, ο καθένας από τους οποίους να είναι σε διαφορετική συχνότητα. Το όφελος είναι καλύτερη ευκρίνεια και µεγαλύτερη δυσκολία (για τον εχθρό) στην παρεµβολή του ραντάρ. (βλέπε επίσης κεφ.16) Συντονισµός Dither έχει προσφάτως επιτευχθεί µε ηλεκτρονικά µέσα αποδίδοντας πολύ γρήγορες εναλλαγές συχνότητας κατά τη διάρκεια µετάδοσης ενός παλµού, εάν χρειάζεται, µε εύρος τυπικά 1% από την κεντρική συχνότητα. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται εµπεριέχουν επιπλέον καθόδους, ψεκασµό ηλεκτρονίων και την τοποθέτηση διόδων pin µέσα στην κοιλότητα.

Λυχνίες magnetron µε συντονισµό τάσης (Voltage tunable magnetron) (VTMs) είναι επίσης διαθέσιµες για διεργασίες CW αλλά δεν είναι πολύ αποτελεσµατικές και για αυτό δεν χρησιµοποιούνται για εφαρµογές ραντάρ. Αυτές που χρησιµοποιούν κοιλότητες χαµηλού Q, Ψυχρές διόδους και ένα επιπλέον ηλεκτρόδιο ψεκασµού για αποτελεσµατικότερη οµαδοποίηση. Το αποτέλεσµα είναι µια λυχνία τις οποίας η συχνότητα λειτουργίας µπορεί να κυµαίνεται µε εύρος µιας οκτάδας µε ρύθµιση της τάσης της ανόδου πολύ γρήγορες σαρώσεις και επόµενος µεταβολές συχνότητας είναι δυνατές.

Επιδόσεις και εφαρµογές. Η παραδοσιακή εφαρµογή της λυχνίας magnetron

είναι για χρήση σε παλµικό ραντάρ και για γραµµική επιτάχυνση σωµατιδίων. Ο κύκλος χρήσης (duty cycle) ( κλάσµα του συνολικού χρόνου στην διάρκεια του οποίου η λυχνία είναι ON) είναι τυπικά 0,1%. Οι µέθοδοι του Pulsing επεξήγονται στο κεφαλαίο 16. Η απαιτούµενη ισχύς κυµαίνεται µεταξύ 10kW και 5MW, ανάλογα µε την εφαρµογή και την συχνότητα λειτουργίας. Η µέγιστη διαθέσιµη ισχύς κυµαίνεται από 10ΜW στην περιοχή UHF σε 2 MW στην περιοχή των Ακτινών Χ έως 10 kW στα 100 GHz. Συνήθης απόδοσης είναι της τάξης των 59%. Μια σηµαντική µείωση µεγέθους ειδικά για µεγαλύτερες λυχνίες γίνεται µε την χρήση δυο βοηθηµάτων. Το πρώτο είναι η ανάπτυξη µόνιµων µαγνητών από σύγχρονα υλικά, που έχει ως αποτέλεσµα την µείωση του όγκου του ηλεκτροµαγνήτη. Το άλλο είναι η εξέλιξη στα υλικά της καθόδου. Με την χρήση τέτοιων υλικών (π.χ. Thoriated

23


tungsten) αρκετά υψηλότερες θερµοκρασίες (1800ο C από 1000ο C) µπορούν να επιτευχθούν. Αυτό βοηθάει πολύ στο να ξεπεραστεί το όριο από την υπερθέρµανση της καθόδου.

VTMs είναι διαθέσιµοι µε συχνότητες από 200 MHz έως την περιοχή των ακτινών Χ µε ισχύς CW έως και 1000W (τυπικά 10W). Οι αποδόσεις είναι υψηλότερες, έως και 75 % . Τέτοιες λυχνίες χρησιµοποιούνται σε Sweep Oscillators, Στην τηλεµετρία και σε πυραυλικές εφαρµογές.

Σταθερής συχνότητας CW λυχνίες magnetron είναι επίσης διαθέσιµες: χρησιµοποιούνται κυρίως ως πηγή θερµότητας στη βιοµηχανία και ως µικροκυµατικούς φούρνους. Η συχνότητα λειτουργίας είναι µεταξύ 900MHz και 2,5 GHz µε την ισχύ να κυµαίνεται µεταξύ 300W και 10kW. Η απόδοση είναι τυπικά πάνω από 70 %.

11-5 ΛΥΧΝΙΕΣ Ο∆ΕΥΟΝΤΑΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (TRAVELING WAVE TUBE) (ΤWT)

Όπως και στην λυχνία Klystron πολλών κοιλοτήτων, η TWT λυχνία είναι µια

γραµµικής ακτίνας λυχνία που χρησιµοποιείται ως µικροκυµατικός ενισχυτής. Αντίθετα µε την λυχνία Klystron ,όµως , είναι µια συσκευή όπου η αλληλεπίδραση µεταξύ της ακτίνας και του RF πεδίου είναι διαρκής. Η TWT έχει εφευρεθεί ανεξάρτητα από τον Kompfner στην Βρετανία και µετά από τον Pierce στις Η.Π.Α., λίγο µετά τον 2ο παγκόσµιο πόλεµο . Καθένας από αυτούς δεν ήταν ικανοποιηµένος από την πολύ σύντοµη αλληλεπίδραση στο Klystron και ο καθένας κατασκεύασε µια δοµή Αργού κύµατος (Slow Wave) στην οποία γινόταν εκτεταµένη αλληλεπίδραση. Λόγω της δοµής τους τα TWT είναι ικανά για τεραστία ευρύ φάσµατος. Η κύρια τους εφαρµογή είναι η µέση ή υψηλής ενίσχυση ισχύος, είτε ως CW ή ως παλµικό.

11-5.1 TWT βασικά

Για να αυξήσουµε την αλληλεπίδραση της καθοδικής ακτίνας και ενός RF πεδίου απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι και τα δυο οδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση µε συγκρίσιµες ταχύτητες. Αυτή η αλληλεπίδραση είναι αρκετά διαφορετική από αυτή στην περίπτωση του Klystron πολλαπλών κοιλοτήτων, όπου η δέσµη των ηλεκτρόνιων κινείται όµως το πεδίο παραµένει σταθερό. Το πρόβληµα που πρέπει να λυθεί είναι ότι το RF πεδίο κινείται µε την ταχύτητα του Φώτος ενώ η ταχύτητα της καθοδικής ακτίνας δεν υπερβαίνει το 10% της ταχύτητας του Φώτος, ακόµα και µε πολύ µεγάλη τάση στην άνοδο. Η λύση είναι η καθυστέρηση του πεδίου µε µια δοµή αργού κύµατος (slow wave).αρκετές τέτοιες δοµές χρησιµοποιούνται, µε την δοµή έλικας (Helix) και coupled-cavity κυµατοδηγός να είναι η πιο κοινές.

Περιγραφή. Ένα κοινό TWT που χρησιµοποιεί έλικα φαίνεται στην εικόνα 11-

18. Ένας ποµπός ηλεκτρόνιων χρησιµοποιείται για την δηµιουργία µιας λεπτής δέσµης ηλεκτρόνιων που µετά κινείται στο κέντρο µιας µεγάλης οµοαξονικής έλικας. Η έλικα είναι κατασκευασµένη θετική µε προσοχή στην κάθοδο και στον συλλέκτη. Έτσι η ακτίνα έλκεται από τον συλλέκτη και αποκτά µεγάλη ταχύτητα. Αποφεύγεται η διασπορά ,όπως στο klystron, από ένα συνεχές αξονικό µαγνητικό πεδίο η παρουσία του οποίου φαίνεται στην εικόνα 11-18, αν και ο µαγνήτης δεν φαίνεται. Η δέσµη πρέπει να είναι λεπτή και σωστά εστιασµένη ώστε να περνά από το κέντρο της έλικας χωρίς να την χτυπάει.

24


Σχήµα 11-18 TWT µε έλικα. Η διάδοση κατά µήκος της έλικας γίνεται από αριστερά προς

δεξιά. Το σήµα εφαρµόζεται στο τέλος της εισόδου της έλικας µέσω ενός

κυµατοδηγού όπως φαίνεται ή µέσω οµοαξονικής γραµµής. Το πεδίο διαδίδεται γύρω από την έλικα µε ταχύτητα που ελάχιστα διαφέρει από την ταχύτητα του Φώτος. Παντός η ταχύτητα µε την οποία διαδίδεται το πεδίο που οδεύει αξονικά ισούται µε την ταχύτητα του Φώτος πολλαπλασιασµένη µε τον λόγο του βήµατος της έλικας δια της περιφέρειας της έλικας. Αυτή µπορεί να γίνει αρκετά αργή και προσεγγιστικά ίση µε την ταχύτητα της καθοδικής ακτίνας. Το αξονικό RF πεδίο και η δέσµη µπορούν τώρα να αλληλεπιδρούν συνεχώς, µε την δέσµη να οµαδοποιείται και να δίνει ενέργεια στο πεδίο. Το αποτέλεσµα είναι σχεδόν ολοκληρωτική οµαδοποίηση και επακόλουθα υψηλό κέρδος.

Λειτουργία. Το TWT µπορεί να θεωρηθεί ως η ακραία περίπτωση της λυχνίας

Klystron, µιας µε πολύ µεγάλο αριθµό από κοντινά τοποθετηµένα διάκενα (gaps) µε την εναλλαγή της φάσης να διαδίδεται µε την ταχύτητα της δέσµης. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχουν επίσης και αρκετές οµοιότητες µε την λυχνία Magnetron στην οποία αρκετές όµοιες διαδικασίες λαµβάνουν χώρα, αλλά σε µια κυκλική διαδροµή και όχι σε ευθεία γραµµή.

Η δεσµοποίηση (bunching) που συµβαίνει στο TWT είναι διαδικασία ανάµεσα σε αυτή της λυχνίας magnetron και στην λυχνία Klystron.

Τα ηλεκτρόνια που φεύγουν από την κάθοδο τυχαία γρήγορα συναντούν το ασθενές RF πεδίο στο Τέλος της εισόδου της έλικας που οφείλεται στο σήµα εισόδου . όπως µε το πέρασµα ενός ηλεκτρόνιου από ένα διάκενο, συµβαίνει διαµόρφωση της ταχύτητας και µαζί µε αυτό µεταξύ γειτονικών περασµάτων οµαδοποίηση. Για µια ακόµα φορά δεν χρειάζεται θεωρητικά ισχύς για την διαµόρφωση της ταχύτητας αφού ο αριθµός των ηλεκτρόνιων που επιταχύνονται είναι ίσος µε τον αριθµό των ηλεκτρονίων που επιβραδύνονται. Μέχρι το πρώτο πακέτο να φτάσει στην επόµενη στροφή της έλικας το σήµα εκεί έχει τέτοια φάση ώστε να καθυστέρηση το πακέτο λίγο και να βοηθήσει την διαδικασία λίγο παραπάνω. Έτσι το επόµενο πακέτο που θα φτάσει στο σηµείο αυτό να συναντήσει λίγο πιο ισχυρό πεδίο απ ότι εάν το πρώτο πακέτο δεν είχε εµφανιστεί.

Η διαδικασία συνεχίζεται καθώς το κύµα και η καθοδική ακτίνα οδεύουν προς την έξοδο της έλικας µαζί. Η οµαδοποίηση γίνεται όλο και πιο έντονη µέχρι να κατάληξη στο τέλος της έλικας. Ταυτόχρονα αυξάνεται (εκθετικά) το RF κύµα στην έλικα και φτάνει επίσης στο µέγιστο στο τέλος της εξόδου. Αυτά φαίνονται στην εικόνα 11-19.

25


Σχήµα 11-19 ενίσχυση του σήµατος και bunching κατά µήκος ενός TWT.

Η αλληλεπίδραση µεταξύ της δέσµης και του RF πεδίου µοιάζει αρκετά µε

αυτή στη λυχνία magnetron. Και στις δυο συσκευές τα ηλεκτρόνια δίνουν µέρος από την ενέργεια τους στο πεδίο, λόγω τις επιβράδυνσης τους από αυτό, επίσης και στις δυο συσκευές δρα ένας µηχανισµός εστίασης φάσης (phase-focusing). Υπενθυµίζουµε ότι αυτός έχει ως σκοπό να οµαδοποιούνται τα ηλεκτρόνια και να φτάνουν τα πακέτα µε τρόπο που να δίνουν την περισσότερη δυνατή ενέργεια. Υπάρχει µια τουλάχιστον ειδοποιός διάφορα µεταξύ των συσκευών, και έχει να κάνει µε τις µεθόδους που χρησιµοποιούνται για να διατηρηθεί η ταχύτητα της δέσµης περίπου ίδια µε την ταχύτητα του πεδίου, αν και τα ηλεκτρόνια της δέσµης συνεχώς επιβραδύνονται. Στην λυχνία magnetron αυτό γίνεται από ένα dc µαγνητικό πεδίο, αλλά αφού δεν υπάρχει κάτι τέτοιο εδώ το αξονικό dc ηλεκτρικό πεδίο είναι αυτό που παρέχει την ενέργεια. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να δώσουµε στα ηλεκτρόνια µια ταχύτητα ελαφρώς µεγαλύτερη από αυτή του RF πεδίου. Η παραπάνω αρχική ταχύτητα των ηλεκτρόνιων σταθµίζεται από την επιβράδυνση λόγω της ενέργειας που δίνεται στο πεδίο.


Ανάµεσα στα σηµεία που πρέπει να µελετηθούν είναι οι διάφοροι τύποι δοµών αργού κύµατος που χρησιµοποιούνται, οι αναγκαίες προλήψεις και οι µέθοδοι εστίασης .

∆οµές αργού-κύµατος (slow - wave). Αν και η έλικα είναι ένας κοινός τύπος

δοµής που χρησιµοποιείται στα TWTs, έχει περιορισµούς και καλά σηµεία. Το ισχυρότερο της σηµείο είναι ότι είναι µια δοµή χωρίς αντηχεία έτσι ώστε πολύ µεγάλα ευρύ ζώνης να µπορούν να εξαχθούν από τις λυχνίες που την χρησιµοποιούν.

26


Από την άλλη η στροφές της έλικας βρίσκονται σε µικρή απόσταση µεταξύ τους όποτε και ταλαντώσεις λόγω ανάδρασης να µπορούν να εµφανιστούν σε υψηλές συχνότητες. Η έλικα µπορεί επίσης να µην λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες αφού η διάµετρος της πρέπει να µειώνεται µε την συχνότητα για να υπάρχει ένα ισχυρό πεδίο RF στο κέντρο της. Αυτό δηµιουργεί δυσκολίες στην εστίαση ειδικά όταν η διεργασίες γίνονται εκεί όπου µπορούν να υπάρχουν εξωτερικοί κραδασµοί. Μεγάλη προσοχή πρέπει ναι δοθεί για την αποφυγή του εντοπισµού υψηλής ισχύος από την έλικα, αλλιώς η έλικα µπορεί να λειώσει.

Μια δοµή για υψηλής ενέργειας ή/και υψηλής συχνότητας διεργασίες είναι τα κυκλώµατα coupled-cavity που χρησιµοποιούνται από το TWT στην εικόνα 11-20. Αποτελείται από έναν µεγάλο αριθµό από coupled cavities και είναι όµοιο µε ένα klystron µε ένα µεγάλο αριθµό ενδιάµεσων κοιλοτήτων. ∆ρα ως ένα διαµοιρασµένο φίλτρο (distributed filter) µε αρχή λειτουργίας που είναι όµοια µε αυτή του pulse forming network (βλέπε παράγραφο 16-2.1). ουσιαστικά, υπάρχει µια συνεχής ολίσθηση φάσης που εξελίσσεται µεταξύ γειτονικών κοιλοτήτων. Αφού είναι overcoupled µπορεί να φαίνεται πως το σύστηµα θα συµπεριφέρεται σαν ένα ζωνοδιαβατό φίλτρο. Αυτό δίνει στη πράξη ένα καλό εύρος ζώνης όχι τόσο καλό όµως όσο το εξαιρετικό εύρος ζώνης που προσφέρεται από ένα TWT µε έλικα. Αυτός ο τύπος δοµής περιορίζεται σε συχνότητες µικρότερες των 100GHz, πάνω από αυτό δοµές ring bar και άλλες µπορούν να χρησιµοποιηθούν.

Προλήψεις στη ταλάντωση. Η εικόνα 11-19 δείχνει το εκθετικό σήµα που

αναπτύσσεται κατά µήκος του TWT χωρίς να είναι σε κλίµακα –το πραγµατικό κέρδος µπορεί εύκολα να υπερβεί τα 80 dB. Ταλαντώσεις είναι δυνατές σε τέτοιες συσκευές υψηλού κέρδους ειδικά εάν χαµηλό φορτίο προκαλέσει σηµαντικές ανακλάσεις κατά µήκος της slow wave δοµής . Το πρόβληµα οξύνεται από την πολύ στενή ζεύξη των κυκλωµάτων. Για αυτό όλες οι πρακτικές εφαρµογές των λυχνιών έχουν κάποιου είδους µηχανισµό εξασθένησης ( ο οποίος έχει ως δευτερεύον αποτέλεσµα την µικρή µείωση του κέρδους). Και τα προς τα εµπρός και τα ανακλώµενα κύµατα εξασθενούν αλλά το προς τα εµπρός κύµα µπορεί να συνεχίσει και να ενισχυθεί µετά τον µηχανισµό εξασθένησης αφού η οµαδοποίηση µένει ανέπαφη. Ο µηχανισµός εξασθένισης µπορεί να είναι ένα µεταλλικό περίβληµα (όπως aquadag ή kanthal) πάνω στην επιφάνεια του γυάλινου δοχείου. Όπως φαίνεται στην εικόνα 11-20, σε µια coupled-cavity slow wave δοµή υπάρχουν αρκετές (τρεις εν προκειµένω) loosely coupled, self contained δοµές όπου λαµβάνει χώρα η εξασθένηση. Επισηµαίνεται ότι στην εικόνα 11-20 φαίνεται µια απλουστευµένοι µορφή που αντιστοιχεί στην ανάπτυξη σήµατος σε TWT χωρίς µηχανισµό εξασθένισης.

27


Σχήµα 11-20 διατοµή ενός υψηλής ισχύος, µε δοµή coupled cavity slow wave και περιοδική

εστίαση µε µόνιµο µαγνήτη. Εστίαση. Λόγω του µήκους του TWT, η εστίαση µέσω ενός µόνιµου µαγνήτη

είναι οχληρή ενώ η εστίαση µέσω ηλεκτροµαγνήτη είναι ογκώδης και µε µεγάλη σπάταλη ενέργειας. Από την άλλη το σωληνοειδές δίνει άριστο µαγνητικό πεδίο για εστίαση έτσι ώστε να χρησιµοποιείται συχνά για εστίαση σε υψηλής ενέργειας ραντάρ (εδάφους). Η πιο σύγχρονη τεχνική στο τοµέα αυτό είναι σωληνοειδές ολοκληρωµένης µορφής, µια εξέλιξη που το καθιστά αρκετά ελαφρύ για ιπτάµενες εφαρµογές. Στην εικόνα 11-20 φαίνεται το Τµήµα του TWT µε αυτόν τον τύπο εστίασης.

Σχήµα 11-21 διατοµή ενός παλµικού σωλήνα οδεύοντας κύµατος των 9 kW µε δοµή coupled

28


Για να µειωθεί ο όγκος, περιοδικός µόνιµος µαγνήτης (PPM) χρησιµοποιείται συχνά αυτή η PPM εστίαση αναφέρθηκε στους ενισχυτές Klystron και φαίνεται στην εικόνα 11-20. Το PPM είναι µια σειρά από µικρούς µόνιµους µαγνήτες που είναι τοποθετηµένοι δεξιά κατά µήκος της λυχνίας, µε κενό χώρο ανάµεσα σε γειτονικούς µαγνήτες. Η Ακτίνα που χάνει τον προσανατολισµό της, εστιάζεται ξανά από τον επόµενο µαγνήτη. Σηµειώνεται ότι οι µαγνήτες είναι µεταξύ του συνδεδεµένοι, το σύστηµα που φαίνεται καλείται radial µαγνήτης PPM.

11-5.3 Είδη, Επιδόσεις και Εφαρµογές

Η TWT δοµή είναι η πιο εύχρηστη και συχνά χρησιµοποιούµενοι µικροκυµατική λυχνία. Υπάρχουν τέσσερις τύποι, µε ξεχωριστές εφαρµογές και επιδόσεις

TWT τύποι. Η πιο δόκιµη µέθοδο κατάταξης είναι µε σύγκριση του µεγέθους,

των επιπέδων ισχύος και των ειδικών διεργασιών. Σε κάθε κατηγόρια ποικίλες δοµές και µέθοδοι εστίασης µπορούν να χρησιµοποιηθούν.

Οι πρώτοι TWT ήταν βασικής ζώνης, χαµηλού θορύβου, χαµηλού επιπέδου ενίσχυσης και χρησιµοποιούνταν κύριος ως δεκτές. Αυτή είναι µια ξεπερασµένη εφαρµογή αφού ενισχυτές µε τρανζίστορ έχουν καλύτερη συµπεριφορά στο θόρυβο µικρότερο όγκο και συγκρίσιµο εύρος ζώνης. ∆εν είναι όµως τόσο ανθεκτικοί σε ακτινοβολία όπως τα TWT και δεν είναι τόσο εύχρηστη σε επιζήµιο περιβάλλoν. Το TWX19, του οποίου τα χαρακτηριστικά δίνονται στον πίνακα 11-2 είναι µια τυπική τέτοια λυχνία. Απαντάται µε το τροφοδοτικό της και το όλο πακέτο έχει διαστάσεις περίπου 30 Χ 5 Χ 5 cm και βάρος 1,5 kg.

29


Πίνακας 11-2 Τυπικές Λυχνίες Οδεύοντος Κύµατος.

Το δεύτερο είδος είναι το CW- ισχύος TWT αντιπροσωπεύεται από αρκετά

δεδοµένα στον πίνακα 11-2. Το 677Η είναι χαρακτηριστικό, µε βάρος λίγο κάτω από 2,75 kg και µε διαστάσεις 7 Χ 7 Χ 41cm Η κύρια εφαρµογή αυτού του TWT είναι σε δορυφορικές επικοινωνίες, είτε σε σταθµούς Γη-δορυφόρου (614Η & 870Η) ή πάνω στον δορυφόρο (677Η). Αυτός ο τύπος χρησιµοποιείται ολοένα και περισσότερο σε CW ραντάρ και σε ηλεκτρονικούς µετρητές (ECM) ειδικά τύποι όπως ο 819Η είναι σχεδιασµένη για αυτήν την εφαρµογή.

30


Παλµικοί TWT αντιπροσωπεύουν την τρίτη κατηγόρια και αρκετοί φαίνονται στον πίνακα 11-2. Είναι αρκετά µεγαλύτεροι και πιο ισχυροί από ότι αυτά στις δυο προηγούµενες κατηγόριες. Αντιπροσωπευτικό είναι το Hughes 979H που φαίνεται στην εικόνα 11-21. Παράγει 9kW στην περιοχή των ακτινών Χ µε ένα κύκλο εργασίας 50%, έχει βάρος λίγο πάνω από 20kg, φέρει 2,5A στα 8kV και έχει διαστάσεις 53 Χ 15 Χ 20 cm.

Ο τέταρτος τύπος είναι πιο πρόσφατος και ακόµα υπό ανάπτυξη. Εµπεριέχει dual mode TWT. Είναι είδη για στρατιωτικές εφαρµογές ικανά να χρησιµοποιηθούν είτε ως CW είτε ως παλµικός ενισχυτής. Είναι συγκρίσιµα σε µέγεθος, βάρος και απαιτήσεις λειτουργίας µε τα µέσης ισχύος TWT για επικοινωνίες. Ο τύπος 562Η έχει βάρος 4,5kg και µήκος 45 cm αν και η τεχνολογία TWT είναι ώριµη, τα dual mode δεν είναι.

Επιδόσεις. Χαµηλού επιπέδου, χαµηλού θορύβου TWT είναι διαθέσιµοι από 2

έως 40 GHz, τρεις φαίνονται στον πίνακα 11-2. Τέτοιες λυχνίες χρησιµοποιούν έλικα και έχουν εύρος ζώνης µιας οκτάδας, µερικά περισσότερο. To κέρδος κυµαίνεται µεταξύ 25 και 45 dB και ο θόρυβος µεταξύ 4 και 17 dB ενώ η ισχύς εξόδου έχει τυπική τιµή από 1 έως 100 mW, Τείνουν όµως τώρα να χρησιµοποιούνται ως εφεδρικά τµήµατα, αφού έχουν αντικατασταθεί από ενισχυτές µε τρανζίστορ (FET / bipolar), έκτος από εξειδικευµένες εφαρµογές.

Λόγω της φύσης των εφαρµογών τους οι λυχνίες CW κατασκευάζονται σε δυο περιοχές ισχύος – έως 100W και πάνω από 500W. Αρκετά από αυτά φαίνονται στον πίνακα 11-2. Το εύρος συχνότητας καλύπτει την περιοχή µεταξύ 1 έως 100 GHz µε τυπική τιµή 2 έως 15% εύρος ζώνης. ∆ιαθέσιµες ισχύς εξόδου υπερβαίνουν τα 10 kW µε κέρδος που µπορεί να είναι πάνω από 50 dB,και απόδοση µεταξύ 25 και 35% µε συνήθης τεχνικές. Με την χρήση συλλέκτη Depressed η απόδοση µπορεί να υπερβεί το 50%. Αυτό είναι ένα σύστηµα όπου η τάση στον συλλέκτη είναι µικρότερη από ότι η τάση στην κάθοδο για να µειωθεί η διασπορά και να βελτιωθεί η απόδοση. Η λυχνία στην εικόνα 11-21 χρησιµοποιεί συλλέκτη Depressed. Τα TWT αυτού του τύπου έχουν έλικα όταν χρειάζεται εύρος µιας οκτάδας και απαιτούν και δοµή coupled cavity για µικρότερο εύρος. H εστίαση είναι PPM συνήθως και ο θόρυβος βρίσκεται στα 30 dB. Για διαστηµικές εφαρµογές, αξιοπιστία της τάξης των 50,000 ωρών (περίπου 6 χρόνια) (µέσος χρόνος µεταξύ βλαβών ) είναι τώρα διαθέσιµοι.

Στο εύρος συχνότητας από 2 έως 100GHz περίπου παλµικοί TWT είναι επίσης διαθέσιµοι µε µέγιστη ισχύς εξόδου από 1 έως 250kW αν και ισχύς της τάξης των µεγαβάτ είναι επίσης εφικτή. Το εύρος ζώνης κυµαίνεται από το χαµηλό (5%) έως και τρεις οκτάδες µε ελικοειδής λυχνίες. Όλοι οι τρόποι εστίασης και οι δοµές Slow wave χρησιµοποιούνται . Ο κύκλος εργασίας είναι πολύ µεγαλύτερος από ότι στις λυχνίες magnetron και Klystron αφού 10% η και µεγαλύτερες τιµές δεν είναι ασυνήθιστες. Όλες οι άλλες επιδόσεις είναι όπως και στα CW ισχύος TWTs.

Dual mode TWTs είναι ευρέως διαθέσιµοι για φάσµα από 2 έως 18GHz. Η ισχύς εξόδου φτάνει τα 3kW για παλµικά και τα 600 W για CW, µε ένα µέγιστο 10:1 Pulse up ratio (Λόγος µέγιστου παλµικού προς CW για την ίδια λυχνία), το οποίο µπορεί να αυξηθεί ακόµα στο άµεσο µέλλον, οι υπόλοιπες πληροφορίες για single mode TWTs και dual mode Λυχνίες φαίνονται στον πίνακα 11-2.

Εφαρµογές. Όπως έχει αναφερθεί οι λυχνίες ΤWT έχουν πολλαπλές

εφαρµογές οι χαµηλής ισχύος χαµηλού θορύβου έχουν χρησιµοποιηθεί σε ραντάρ και άλλους κυµατικούς δέκτες, σε όργανα εργαστηρίων και ως οδηγοί σε λυχνίες µεγαλύτερης ισχύος. Χρησιµοποιούνται σε τέτοιες εφαρµογές πολύ λιγότερο από

31


παλαιοτέρα λόγω της προόδου των ηµιαγωγών. Όπως θα φανεί στο επόµενο κεφαλαίο ενισχυτές µε τρανζίστορ , tunnel diodes και Schottky diodes µπορούν να χρησιµοποιηθούν για µεγάλο µέρος αυτών των εφαρµογών, ενώ TWT Λυχνίες δεν θα µπορούσαν να συγκριθούν µε παραµετρικούς ενισχυτές ή masers για εφαρµογές χαµηλού θορύβου.

Μέσης και υψηλής ισχύος CW TWTs χρησιµοποιούνται για τηλεπικοινωνίες και για ραντάρ. Η µεγάλη πλειοψηφία των ενισχυτών ισχύος που χρησιµοποιήθηκε ποτέ για χρήση στο διάστηµα ήταν τα TWT λόγω της µεγάλη αξιοπιστίας τους του υψηλού κέρδους του µεγάλου εύρους ζώνης τους και των συνεχών τους επιδόσεων. Η πλειοψηφία των σταθµών στη γη χρησιµοποιεί TWTs ως λυχνίες εξόδου. Σηµειώνεται ότι όλες αυτές οι εφαρµογές αναφέρονται στο κεφαλαίο 15. CW TWT επίσης χρησιµοποιούνται σε κάποια είδη ραντάρ και επίσης ως ποµπός για παρεµβολή.

CW λυχνίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε FM συχνότητες είτε για ενίσχυση σήµατος είτε για την δηµιουργία του. Για δηµιουργία ΑΜ σήµατος το προς διαµόρφωση σήµα εισέρχεται στο προαναφερθέν ειδικό πλέγµα. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η TWT όπως και ο ενισχυτής Klystron φτάνουν σε κατάσταση κορεσµού περίπου στα 70% του µέγιστου και παύουν να συµπεριφέρονται γραµµικά από εκεί και πάνω. Αν και αυτό δεν έχει σηµασία στην ενίσχυση ή δηµιουργία σήµατος FM, έχει βαρύνουσα σηµασία στην ενίσχυση ή δηµιουργία σήµατος ΑM, και έτσι τέτοια λυχνία δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί για ισχύ πάνω από 70% του µέγιστου.

Παλµικές λυχνίες βρίσκουν εφαρµογές σε ιπτάµενα και θαλάσσια ραντάρ όπως και σε υψηλής ισχύος ραντάρ στο έδαφος. Είναι ικανά για πολύ µεγαλύτερους κύκλους εργασίας από ότι οι λυχνίες Klystron & magnetron και χρησιµοποιούνται όπου αυτό απαιτείται (βλέπε κεφ.16).

11-6 ΑΛΛΕΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΛΥΧΝΙΕΣ.

Ποικίλες άλλες µικροκυµατικές λυχνίες θα παρουσιαστούν εν συντοµία. Είναι οι crossed-field amplifier (CFA), Backward wave oscillator και µερικοί ετερογενή ενισχυτές υψηλής ισχύος ( miscellaneous high power amplifiers)

11-6.1 Ενισχυτές Σταυρωτού Πεδίου (CFA)

Τα CFA είναι ένας µικροκυµατικός ενισχυτής ισχύος βασισµένος στο magnetron και µοιάζει αρκετά µε αυτό. Η αρχή λειτουργίας του είναι ανάµεσα στο TWT και στο magnetron. Έχει την βασική δοµή του Magnetron για να δηµιουργεί µια αλληλεπίδραση µεταξύ του σταυρωτού ηλεκτρικού και µαγνητικού πεδίου και του RF πεδίου. Χρησιµοποιεί µια δοµή Slow wave TWT για να επιτύχει συνεχής αλληλεπίδραση µεταξύ της καθοδικής ακτίνας και του κινούµενου RF πεδίου. Η λυχνία CFA είναι πιο πρόσφατη από άλλες δοµές αφού προτάθηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 1960.

Λειτουργία. Η διατοµή ενός τυπικού CFA φαίνεται στη εικόνα 11-22. Είναι

εµφανής η οµοιότητα µε το οµοαξονικό magnetron θα ήταν ακόµα πιο εµφανής εάν, όπως συµβαίνει στην πράξη ,φαινόταν µια δοµή vane slow wave,µαζί µε τις σύνδεσης του κυµατοδηγού. Η έλικα απεικονίζεται εδώ µόνο για να διευκολύνει την επεξήγηση. Στην πράξη, είναι πολύ δύσκολος ο διαχωρισµός µεταξύ CFA και magnetron. Εκτός από µια ειδοποιός διαφορά: αντίθετα µε το magnetron, τα CFA έχουν σύνδεσης εισόδου για RF.

32


Όπως και στο magnetron η αλληλεπίδραση των διάφορων πεδίων έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός οµαδοποιηµένου ηλεκτρονικού νέφους. Ένα σήµα εισόδου δέχεται ενεργεία από το ηλεκτρονικό νέφος που οδεύει µε την ίδια κατεύθυνση µε το RF πεδίο. Στα TWT, το σήµα ενισχύεται κατά µήκος της slow wave δοµής. Όπως παρατηρείται στην εικόνα 11-22 υπάρχει µια περιοχή χωρίς δοµή Slow wave. Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ολισθαίνουν ελευθέρα, αποµονώνοντας έτσι την είσοδο από την έξοδο και προλαµβάνονται έτσι ανεπιθύµητες ταλάντωσης. Μερικές φορές χρησιµοποιείται και µηχανισµός εξασθένισης όµοιος µε αυτόν του TWT.

Σχήµα 11-22 Απλοποιηµένη διατοµή ενός continuous cathode, forward wave crossed field

amplifier. Στην εικονιζόµενη λυχνία, η κατεύθυνση του RF και των ηλεκτρονίων

συµπίπτει, όποτε και έχουµε forward wave CFΑ . Υπάρχουν και Backward wave CFA όπου η κατεύθυνσης είναι αντίθετες. Υπάρχουν επίσης και CFA µε πλέγµα κοντά στην περιοχή ολίσθησης , µαζί µε µια άνοδο επιτάχυνσης . αυτοί είναι γνωστοί ως Injected beam CFAs.

Πρακτικές Θεωρήσεις. Η πλειοψηφία των CFA είναι παλµικές συσκευές.

Υπάρχουν CW και dual mode αν και οι λεπτοµέρειες αποτελούν στρατιωτικά µυστικά. Οι dual mode διεργασία είναι ευκολότερη στα CFA απ’ότι στα TWT διότι και το µαγνητικό και το ηλεκτρικό πεδίο µπορούν να µεταβληθούν για να αλλάξουν την ισχύ στην έξοδο.

Παλµικοί CFA είναι διαθέσιµοι σε συχνότητες από 1 έως 50GHz , αν και το άνω όριο έχει να κάνει µε τις εφαρµογές και όχι µε την σχεδίαση της λυχνίας. Τα CFA είναι αρκετά µικρά σε όγκο για την ισχύ που παρέχουν και αυτό είναι πλεονέκτηµα για ιπτάµενα ραντάρ. Η µέγιστη ισχύς είναι αρκετά πάνω από 10µεγαβατ στην περιοχή των UHF (µε απόδοση έως και 70%), 1µεγαβατ στα 10 GHz (απόδοση 55%) και 400kW στην S-band. Η καλή απόδοση συµβάλει στο µικρό µέγεθος και τελικά στην συχνή τους χρήση. Ο κύκλος χρήσης είναι περίπου 5% µεγαλύτερος από ότι στο magnetron αλλά όχι τόσο υψηλός όσο στα TWT. Το εύρος

33


ζώνης είναι αρκετά καλό και περίπου 25% της κεντρικής συχνότητας. Μειονέκτηµα αποτελεί το µικρό κέρδος που όµως αντισταθµίζεται από το µικρό του µέγεθος.

Ένας τυπικός forward wave CFA είναι ο Varian SDF257, ο οποίος λειτουργεί µεταξύ 5,4 και 5,9GHz, παράγει µέγιστη ισχύ 1 µεγαβάτ µε κύκλο εργασίας 0,1%. Η απόδοση είναι 50% , το κέρδος 13 dB και ο θόρυβος περίπου 36 dB . Η µέγιστη ένταση ρεύµατος στην άνοδο είναι 70A. Όπως και αρκετά magnetron χρησιµοποιεί back heating µηχανισµό για την κάθοδο, που είναι µαζί µε την άνοδο είναι υδρόψυκτη. Το όλο , µαζί µε τον µαγνήτη έχει βάρος 95 kg και είναι όµοιο µε λυχνία magnetron υψηλής ισχύος µε επιπρόσθετες σύνδεσης για το RF. Τα CFA χρησιµοποιούνται εξ ολόκληρου σε εφαρµογές ραντάρ.

11-6.2 Backward Wave Oscillator (BWO)

Tα BWO είναι µικροκυµατικοί ταλαντωτές CW µε µεγάλη κάλυψη συντονισµού σε όλες τις συχνότητες. Λειτουργεί όπως ένα TWT χρησιµοποιώντας γενικά δοµή helix slow wave. Εξωτερικά µοιάζει µε ένα µικρότερο και λεπτότερο TWT.

Λειτουργία. Εάν υποθέσουµε ότι ξεκινάει µια ταλάντωση , η λειτουργία του

BWO γίνεται όµοια µε αυτή TWT. Τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από την κάθοδο , εστιάζονται από ένα οµοαξονικό µαγνητικό πεδίο και συλλέγονται στο Τέλος του γυάλινου σωλήνα. Στο µεταξύ έχουν περάσει από µια slow wave δοµή µε έλικα, όπου και η οµαδοποίηση έλαβε χώρα , και ολοκληρώθηκε στον συλλέκτη. Εναλλαγή ενέργεια συµβαίνει ακριβός όπως και στα TWT, µε το RF πεδίο να ενισχύεται. Αντίθετα µε τα TWT , BWO δεν έχουν µηχανισµό εξασθένισης κατά µήκος του σωλήνα. Απλοποιηµένα οι ταλαντώσεις µπορούν να θεωρηθούν ότι συµβαίνουν λόγω ανακλάσεων στον όχι τέλειο συλλέκτη στο τέλος της έλικας. Υπάρχει ανάδραση και η έξοδος συλλέγεται από την κάθοδο στο τέλος της έλικας µαζί µε τις οποίες ανάκλασης. Επειδή η έλικα είναι µια δοµή χωρίς αντήχηση, το εύρος φάσµατος είναι πολύ µεγάλο και η συχνότητα λειτουργίας καθορίζεται από την τάση στον συλλέκτη σε σχέση µε το σύστηµα των κοιλοτήτων.

Το εύρος φάσµατος περιορίζεται από την αλληλεπίδραση µεταξύ της ακτίνας και της slow wave δοµής. Για να αυξηθεί η αλληλεπίδραση, τα BWO έχουν κάθοδο ring που στέλνει µια λανθάνουσα δέσµη µε µέγιστη ένταση κοντά στην έλικα.

Πρακτικές πτυχές. BWO χρησιµοποιούνται ως πήγες σήµατος σε όργανα και

σε ποµπούς. Μπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν και ως πήγες θορύβου, που µε ενίσχυση από ένα TWT εκπέµπεται για να παρεµβάλει εχθρικά ραντάρ. Το συχνοτικό φάσµα στο οποίο τα BWO µπορούν να λειτουργήσουν είναι ευρύ, και εκτείνεται από 1 εως και 1000GHz . Το Thomson CSK CO 08 παράγει περίπου 50 mW CW µεταξύ 320 και 400GHz ενώ 0,8 mW CW έχουν αναφερθεί, από άλλο BWO στα 2000 GHz . Το κανονικό εύρος ισχύος των BWO είναι µεταξύ 10 και 100mW CW, αλλά λυχνίες µε έξοδο µεγαλύτερη των 29 W και αρκετά υψηλή συχνότητα έχουν κατασκευαστεί. Το εύρος συντονισµού είναι τυπικά µια οκτάδα ,έως και 40 GHz. Σε υψηλότερες συχνότητες πολλαπλές έλικες η coupled cavity χρησιµοποιούνται µε επακολουθεί µείωση του εύρους ζώνης στη µίση οκτάδα. Το ΙΤΤ F-2513 παράγει κατά µέσο όρο 25 mW σε εύρος από 1,3 έως 4,0 GHz. Η ταχύτητα µε την οποία η συχνότητα µπορεί να µεταβληθεί είναι πολύ µεγάλη και µετριέται σε GHz/µsec.

Μόνιµοι µαγνήτες χρησιµοποιούνται συνήθως για την εστίαση αφού έτσι έχουµε απλούς µαγνήτες και µικρότερες λυχνίες. Σωληνοειδείς χρησιµοποιούνται σε µεγαλύτερες συχνότητες µιας και δίνουν την καλύτερη διεισδύσει και καταµερισµό

34


για το αξονικό µαγνητικό πεδίο. Πρόσφατη εξέλιξη είναι η χρήση µόνιµου µαγνήτη από Samarium – cobalt για την µείωση του όγκου και του µεγέθους.

Το Siemens ROW 170 είναι ένα τυπικό BWO και παράγει κατά µέσο όρο 10mW . είναι ηλεκτρονικού συντονισµού από τα 600GHz ( όπου η τάση στο συλλέκτη είναι 500V) έως 110 GHz ( όπου η τάση στο συλλέκτη είναι 2500V) Το µέσο ρεύµα στον συλλέκτη είναι από 12 έως 15 mA και η κατανάλωση περίπου 30W. µαζί µε το τροφοδοτικό και τον µαγνήτη , ζυγίζει 2kg.

11-6.3 Miscellaneous Tubes (Ετερογενείς Λυχνίες)

Μεγάλος αριθµός από λιγότερο κοινές λυχνίες έχουν προταθεί και κατασκευαστεί κύριος για πολύ υψηλή ισχύ. ∆υο από αυτές είναι:

Το Twystron, που είναι ένα υβριδικό τµηµάτων του klystron και της εξόδου του TWT σε σειρά.

Το Extended interaction amplifier (εκτεταµένης αλληλεπίδρασης ενισχυτής) που είναι ένα πολυκοιλοτικό Klystron µε διασυνδεδεµένες κοιλότητες multigap.

Παλµική ισχύς άνω των 10 MW έχει παραχθεί και από τα δυο είδη λυχνιών ,αν και κανένα δεν χρησιµοποιείται ευρέως.

Πολλαπλών ακτινών Klystron έχουν προταθεί όπως και ενισχυτές Ubitron (Undulating beam interaction – κυµατική αλληλεπίδραση δέσµης), µε δοµή καλούµενη fast wave.

Άλλη µια δοµή µικροκυµατικής λυχνίας είναι το Gyrotron, που περιγραφικέ πρώτα στην σοβιετική ένωση στα τέλη της δεκαετίας του 70. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί και ως ενισχυτής και ως ταλαντωτής και είναι συµβατό µε την λυχνία Klystron (gyroklystron ) και µε TWT (Gyro-TWT), όποτε και µια κυκλοτρονική αντήχηση (Cyclotron) συµβαίνει στην κοιλότητα του. Είναι ικανό για πολλή υψηλές συχνότητες. Ισχύς υψηλότερη του 1kW CW έχει αναφερθεί σε συχνότητες πάνω από 100 GHz.

35

11. ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΛΥΧΝΙΕΣ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ · 2004. 10. 25. ·...

Documents

Transcript of 11. ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΕΣ ΛΥΧΝΙΕΣ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ · 2004. 10. 25. ·...