Принципи радіолокації - прогресивна хвильова трубка

Трубка прогресивної хвилі

Рисунок 1: Потужний TUP типу VTR 572B

Рисунок 1: Потужний TUP типу VTR 572B

Трубка прогресивної хвилі

Лампи прогресивної хвилі, скорочено TUP (TWT - лампочки, що рухаються), - це спеціальні мікрохвильові лампи, що використовуються як широкосмугові підсилювачі. Вони утворюють особливу категорію ламп, що використовують електронну модуляцію швидкості. Через низький коефіцієнт шуму ці лампи використовуються як дуже високочастотні підсилювачі в приймачах. Залежно від застосувань, TUP поділяється на дві категорії:

TUP низької потужності
використовується на вхідних каскадах радіолокаційних приймачів як підсилювачі з низьким рівнем шуму, широкосмуговим діапазоном та високою чутливістю
Потужність TUP
використовуються як підсилювачі підсилювача або як підсилювачі потужності на кінцевих стадіях підсилення передавачів.

Буде представлено наступне:

Рисунок 2: Російський тип TUP UV-1B (кирилиця: УВ-1Б)

Конструктивна реалізація та експлуатація

Лампи прогресивної хвилі - це малошумні, малошумні підсилювачі з великим підсиленням, що використовуються в мікрохвильовому полі. Вони мають коефіцієнти підсилення, які можуть перевищувати 40 дБ, і смуги частот більше однієї октави. (Діапазон частот в 1 октаву - це той, в якому максимальна частота вдвічі менша за мінімальну.) Лампи прогресивної хвилі працюють на частотах від 300 МГц до частот вище 50 ГГц. TUP - це в основному підсилювач напруги. Широкосмуговий діапазон та низький коефіцієнт шуму роблять TUP основним елементом у побудові підсилювачів дуже високої частоти у складі радіолокаційних систем, а також телекомунікаційного обладнання.

Рисунок 3: Конструктивна реалізація TUP

Малюнок 4: Підсилення сигналу вздовж спіралі

На малюнку 3 показані конструктивні елементи ТУП. Трубка прогресивної хвилі містить електронну гармату з роллю електронів, що генерують і прискорюють їх у вузькому пучку, який рухається вздовж трубки. Магнітна система, що оточує трубку, створює магнітне поле, яке фокусує електрони в дуже вузькому пучку. Спіраль - це лінія передачі, по якій протікає енергія дуже високої частоти. Його роль полягає в тому, що лінія затримки - подушка зменшує швидкість поширення електромагнітної хвилі вздовж трубки. Таким чином, швидкість хвилі стає порівнянною зі швидкістю електронів у пучку, забезпечуючи взаємодію між хвилею та електронами. Сигнал дуже високої частоти вставляється в спіраль і витягується на її кінці за допомогою муфт, якщо вхід і вихід здійснюються на хвилеводі, відповідно прямим з'єднанням зі спіраллю, якщо вхід і вихід на коаксіальному кабелі. Атенюатор в центрі трубки запобігає поширенню будь-яких відбиттів сигналу по спіралі в протилежному напрямку.

На малюнку 5 показані лінії електричного поля хвилі, що поширюється вздовж спіралі, ліній, паралельних електронному пучку.

Рисунок 5: Електронна модуляція швидкості
та детальну фотографію спіралі
(виміряна порція включає 20 обертів)

Рисунок 5: Модуляція швидкості електрона та детальна фотографія спіралі
(виміряна порція включає 20 обертів)

Взаємодія між лініями поля та електронним пучком призводить до швидкісної модуляції електронів. Швидкість модуляції має ефект групування електронів, тобто модуляція щільності. Групування починається з самого початку спіралі, досягаючи свого максимуму в кінці. Електронні групи передаватимуть енергію хвилі, якщо лінії поля матимуть ефект гальмування електронів поруч із цими групами. Трубка прогресивної хвилі побудована таким чином, що число електронів, які передають енергію хвилі, набагато вище, ніж тих, які отримують енергію від хвилі. Таким чином, хвиля, яка поширюється по спіралі, постійно отримує енергію від груп електронів, що призводить до її посилення.

Особливості TUP

Малюнок 6: Характеристика TUP

Підсилення потужності прогресивної хвильової трубки залежить від наступних факторів:

фізичні характеристики трубки (наприклад, довжина спіралі)
діаметр електронного пучка (регулюється зміною напруженості фокусуючого магнітного поля)
потужність вхідного сигналу (див. рисунок 6)
спіральний натяг UA2

Як видно з рисунка 6, підсилення TUP має лінійну характеристику близько 26 дБ при малих потужностях вхідного сигналу. Зі збільшенням вхідної потужності потужність вихідного сигналу зростає не настільки, значення посилення зменшується. Це спричиняє обмежувальне явище, яке запобігає перенасиченню сильного сигналу наступного поверху (наприклад, змішувача). Недоліком прогресивних хвильових трубок є їх відносно низька ефективність.

Зважаючи на те, що посилення TUP є результатом взаємодії електронного пучка з хвилею, що поширюється вздовж спіралі, випливає, що смуга частот залежить лише від частотної поведінки спіралі. Таким чином можна отримати діапазони частот порядку гігабайт.

Найважливішим параметром TUP, що використовується як вхідні підсилювачі в приймачах, є коефіцієнт шуму, оскільки він визначає чутливість всього приймача, а отже і максимальну відстань виявлення радіолокатора. Коефіцієнт шуму сучасного ТУП має значення 3. 10 дБ. Основними причинами шуму є:

ефект аліси (характерний для електронних ламп)
ефект розподілу (характерний для багатосіткових трубок)
нерівномірне випромінювання електронів катодом.

Коефіцієнт шуму також залежить від коливань порівняно з номінальними значеннями напруг живлення ТУП. Наприклад, якщо напруги на 5% нижчі від номінальних значень, коефіцієнт шуму може подвоїтися.

Різні типи лінії затримки

Замість спіралі можуть використовуватися інші типи ліній затримки, наприклад, такі, що мають кільцеву шину або кільцеву порожнину. Тип використовуваної структури залежить від бажаних параметрів TUP: підсилення, смуги частот або потужності.

TUP з лінією затримки "Ring-Loop"

Рисунок 7: Лінія затримки кільцевої петлі

Ці ТУП використовують кільця, з'єднані між собою за допомогою петель, як лінію затримки. Вони можуть працювати з більшими потужностями, ніж звичайні (спіральні) TUP, але мають нижчу смугу частот (5 ... 15%) і нижчу максимальну частоту (18 ГГц).

Основними особливостями лінії затримки "кільцевої петлі" є високий імпеданс зв'язку та низький рівень гармонік. Таким чином, ці типи TUP мають ту перевагу, що вони мають більш високе посилення (40… 60 дБ), менші розміри, витримують вищі напруги і менш схильні до коливань через зворотну хвилю.

Рисунок 8: Лінія затримки кільцевої смуги

TUP з лінією затримки "Ring-Bar"

Цей тип TUP має схожі характеристики з типом "кільцевої петлі". Лінію затримки кільцевої шини можна значно полегшити, вирізавши мідну трубку.

Рисунок 9: Лінія затримки із зчепленими порожнинами

TUP зі зчепленими порожнинами

З'єднані порожнинні ТУП використовують лінію затримки, що складається з ряду резонансних порожнин, з'єднаних між собою прорізами, утворюючи пов'язану лінію передачі. Електронний промінь (показаний червоним на малюнку 9) регулюється швидкістю в першій порожнині вхідним РЧ-сигналом. Енергія дуже високої частоти (представлена блакитною стрілкою) зигзаґує з однієї порожнини в іншу, взаємодіючи з електронним пучком.

Правильно вибравши відстань між порожнинами, слідуючи за взаємодією між електронним пучком і хвилею, що поширюється з однієї порожнини в іншу, це призведе до сильного посилення хвилі. ТУП із зчепленими порожнинами можна використовувати з набагато більшими потужностями, ніж зазвичай, але вони мають більш вузьку смугу, ніж ці (проте більшу, ніж у клістронів).