http___radartutorial.de_08.transmitters__C3_87apraz_20Alan_20Y_C3_BCkselteci_20_28Amplitron_29.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 22.1 22.2 22.3 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 31.7 32.1 32.2 32.3 32.4 32.5 32.6 33.1 33.2 33.3 34.1 34.2 34.3 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 40.1 41.1 42.1 42.2 43.1 43.2 44.1 44.2 45.1 46.1 47.1 48.1
Crossed-Field Amplifier (Amplitron) input output of resonant-cavities Figure 2: Subset of the cycloidal electron paths into a Crossed-Field Amplifier input output Figure 2: Subset of the cycloidal electron paths into a Crossed-Field Amplifier Crossed-Field Amplifier (Amplitron) Figure 1: water-cooled Crossed-Field Amplifier L–4756A in its transport case Other names are sometimes used for the Crossed-Field Amplifier in the literature also: - Platinotron - Amplitron - Stabilotron - Platinotron - Amplitron - Stabilotron - Platinotron - Amplitron - Stabilotron The Crossed-Field Amplifier (CFA), is a broadband microwave amplifier that can also be used as an oscillator (Stabilotron). It is a so called Velocity-modulated Tube . The CFA is similar in operation to the magnetron and is capable of providing relatively large amounts of power with high efficiency. In contrast to the magnetron, the CFA have an odd number of resonant cavities coupled with each other. These resonant cavities work to as a slow-wave structure: an oscillating resonant cavity excites the next cavity. The actual oscillation will be lead from the input waveguide to the output waveguide. The electric and magnetic fields in a CFA are perpendicular to each other (“crossed fields”). Without an input signal and the influence of both the electric field (anode voltage) and the magnetic field (a strong permanent magnet) all electrons will move uniformly from the cathode to the anode on a cycloidal path as shown in figure 2. (This case should be avoided in practice, because the CFA will generate a high level of noise then.) accelerated by RF- oscillation decelerated by RF- oscillation Figure 3: The input signal starts the excitation of the first resonant cavity accelerated by RF- oscillation decelerated by RF- oscillation Figure 3: The input signal starts the excitation of the first resonant cavity If the input-waveguide introduces an oscillation into the first resonator (as shown in figure 3), the vanes of the resonator gets a voltage difference synchronously to the oscillation. Under the influence of this additionally field flying past electrons get acceleration (at the positively charged vane) or they are decelerated (at the negatively charged vane). This causes a difference in speed of the electrons. The faster electrons catch the slower electrons and the forms electron bunches in the interaction space between the cathode and the anode. These bunches of electrons rotates as like as the “Space-Charge Wheel” known from the magnetron operation. But they cannot rotate in full circle, the “Space-Charge Wheel” will be interrupted because the odd number of cavities causes an opposite phase in the last odd cavity (this bottom one between the waveguides). To avoid a negative feedback, into this resonant cavity may exist a bloc containing graphite to decouple input and output.) The oscillation is still very weak into the first cavity. But the electron bunches will hit the vanes of the following cavities and will dispense their energy synchronously to the oscillation. The alternating microwave field causes the electrons to alternately speed up and slow down near the next cavity. Simultaneously, the anode near the vanes is hit of the first electrons in cycle of oscillation. This causes amplification: the oscillation will be stronger from cavity to cavity therefore. At the resonant cavity with the coupled output-waveguide these electron bunches are solved: all but electrons hit the anode and causes the anode current. The bandwidth of the CFA, at any given instant, is approximately plus or minus 5 percent of the rated center frequency. Any incoming signals within this bandwidth are amplified. Peak power levels of many megawatts and average power levels of tens of kilowatts average are, with efficiency ratings in excess of 70 percent, possible with crossed-field amplifiers. To avoid ineffective modes of operation the construction of CFA contains strapping wires like to as used in magnetrons. Because of the desirable characteristics of wide bandwidth, high efficiency, and the ability to handle large amounts of power, the CFA is used in many applications in microwave electronic systems. When used as the intermediate or final stage in high-power radar systems, all of the advantages of the CFA are used. Figure 4: Interaction between a cavity resonator and the rotating “Space-Charge Wheel” Figure 4: Interaction between a cavity resonator and the rotating “Space-Charge Wheel” Figure 5: The interrupted “Space-Charge Wheel” into a Crossed-Field Amplifier Figure 5: The interrupted “Space-Charge Wheel” into a Crossed-Field Amplifier The amplifiers in this type of power-amplifier transmitter must be broad-band microwave amplifiers that amplify the input signals without frequency distortion. Typically, the first stage and the second stage are traveling-wave tubes (TWT) and the final stage is a crossed-field amplifier. Recent technological advances in the field of solid-state microwave amplifiers have produced solid-state amplifiers with enough output power to be used as the first stage in some systems. Transmitters with more than three stages usually use crossed-field amplifiers in the third and any additional stages. Both traveling-wave tubes and crossed-field amplifiers have a very flat amplification response over a relatively wide frequency range. Crossed-field amplifiers have another advantage when used as the final stages of a transmitter; that is, the design of the crossed-field amplifier allows rf energy to pass through the tube virtually unaffected when the tube is not pulsed. When no pulse is present, the tube acts as a section of waveguide. Therefore, if less than maximum output power is desired, the final and preceding cross-field amplifier stages can be shut off as needed. This feature also allows a transmitter to operate at reduced power, even when the final crossed-field amplifier is defective. If the anode voltage is switched on then the CFA will provide a gain of 3 to 20 dB. Note: William C. Brown's work on adapting magnetron principles to create a new broadband amplifier resulted in the “Amplitron”, a trademark of the Raytheon Manufacturing Company for the Raytheon line of crossed-field amplifiers today.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 56.1 57.1 58.1 59.1 60.1 61.1 62.1
Çapraz Alan Yükselteci (Amplitron) girişi çıkışı çınlayıcılardan oluşan anot söndürücü malzeme Resim 2: Bir çapraz alan yükseltecinde ki dairesel yörüngeli elektron alt kümesi girişi çıkışı çınlayıcılardan oluşan anot söndürücü malzeme Resim 2: Bir çapraz alan yükseltecinde ki dairesel yörüngeli elektron alt kümesi Çapraz Alan Yükselteci (Amplitron) Resim 1: Taşıma kasası içinde bulunan bir su soğutmalı amplitron L–4756A Çapraz Alan Yükselteci (amplitron) yapısı magnetrona benzer, fakat amplitron kendiliğinden salınan bir osilatör değil nispeten daha geniş bantlı bir yükselteçtir. Amplitron için teknik yazında kimi değişik görev amaçlarına yönelik farklı nitelemeler kullanılmaktadır. - Platinotron Elektron akımı kesilmiş ve gecikme sistemi devre dışı durumda ki ters dalga tüpü için bir üst kavram; - Amplitron Doğrusal olmayan güç yükselteçli platinotron; - Stabilotron Amplitronun kararlı yüksek frekans üreteci olarak geri beslemeli ve tınlaşım (resonance) devreli bir türü; - Magnetron yükselteci: (anlamsız bir isim) - Çapraz alan yükselteci İşlevi belirten, önceleri kullanılan ad (Crossed-Field Amplifier, CFA) - Platinotron Elektron akımı kesilmiş ve gecikme sistemi devre dışı durumda ki ters dalga tüpü için bir üst kavram; - Amplitron Doğrusal olmayan güç yükselteçli platinotron; - Stabilotron Amplitronun kararlı yüksek frekans üreteci olarak geri beslemeli ve tınlaşım (resonance) devreli bir türü; - Magnetron yükselteci: (anlamsız bir isim) - Çapraz alan yükselteci İşlevi belirten, önceleri kullanılan ad (Crossed-Field Amplifier, CFA) - Platinotron Elektron akımı kesilmiş ve gecikme sistemi devre dışı durumda ki ters dalga tüpü için bir üst kavram; - Amplitron Doğrusal olmayan güç yükselteçli platinotron; - Stabilotron Amplitronun kararlı yüksek frekans üreteci olarak geri beslemeli ve tınlaşım (resonance) devreli bir türü; - Magnetron yükselteci: (anlamsız bir isim) - Çapraz alan yükselteci İşlevi belirten, önceleri kullanılan ad (Crossed-Field Amplifier, CFA) Çapraz Alan Yükseltecinin yapısı Çapraz Alan Yükselteci (sıkça Amplitron olarakta anılır) magnetron gibi, elektron akışının bir geciktirme hattı boyunca giden elektromanyetik dalga ile etkileşim yaptığı hız modülasyon tüpleri grubunda yer alır. Amplitron, magnetron gibi katottan, bu katoda eş merkezli olarak yerleştirilmiş belli sayıda kovuk çınlayıcılardan (resonance cavities) ve bir mıknatıs sisteminden oluşmuş geciktirme sisteminden meydana gelir. Çapraz Alan Yükselteci çok güçlü bir yükselteç tüpüdür ve keza harcadığı güçte yüksektir. Çapraz Alan Yükselteci magnetronıun aksine kendiliğinden salınan bir osilatör değildir, daha ziyade bir göreceli bant genişliğine sahip bir yükselteçtir. Magnetron ile çapraz alan yükselticiler arasındaki arasında ki temel fark çapraz alan yükselticilerinde tek çıkışlı kapalı gecikme sistemi olmayışıdır. Buna karşılık gecikme sisteminin bir giriş gibi de çalışan bir çıkışı vardır. Çapraz Alan Yükseltecinde gecikme sistemi yoktur ve anotta biri diğerini tetikleyen tekli sayıda çınlayıcı bulunur. daha da hızlanıyor daha negatif bir gerilim altında frenleniyorlar Resim 3: Giriş sinyali ilk çınlayıcı da salınımları başlatıyor daha da hızlanıyor daha negatif bir gerilim altında frenleniyorlar Resim 3: Giriş sinyali ilk çınlayıcı da salınımları başlatıyor Çapraz Alan Yükseltecinin çalışması Kuvvetlice negatif yüklü oksit katot ile (çoğunlukla şase gerilimine bağlı) anottaki çınlayıcı elemanların iç yüzeyleri arasında oluşan kuvvetli bir elektrik alanı katottan kopan elektronları anoda doğru ivmelendirir. Bu elektrik alanına dik yönde (çapraz sıfatı da buradan geliyor) bulunan bir kuvvetli daimi mıknatıs veya elektro mıknatıs vasıtasıyla bir manyetik alan oluşur ve bu alan bir giriş salınımının bulunmadığı durumda Resim 2 de görüldüğü gibi elektronların eş biçimli çemberler çizerek anoda doğru yol almasını sağlar. (Pratikte anot geriliminin tam, buna karşılık katot geriliminin hiç bulunmadığı bu durumdan kaçınılmalıdır. Çünkü çok kuvvetli gürültü üretirler.) Giriş dalga kılavuzundan ilk kovuklu çınlayıcıya şimdi bir yüksek frekanslı salınım gelir (Resim 3 e bakınız), ardından bu kendi ayırma duvarına anot doğru gerilimiyle girişen bir ilave elektrik alanı uygular. Artan yüksek frekans öyle yüksektir ki, çok yavaş elektronlar dahi bir salınım periyodunda anoda ulaşabilirler. Ayırma duvarlarında oluşan ilave pozitif gerilim bir miktar elektronu daha da hızlandırır ve zıt daha negatif gerilim diğer elektronları bir miktar frenler. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalayarak anot ve katot arasındaki hacimde bir elektron kümesi oluştururlar. Katot ile anot arasında yer alan (yüksek frekanslı gerilim ile girişmiş) elektrik alanın ve bu alana dik yöndeki manyetik alanın etkisi altında elektronlar merkezden dışa doğru hareket ederler. Elektronlar bu hareketi yaparken katot etrafında bir çember çizerler, bu çemberi çizerken bir yandan da kendi etrafında dönerler. (Bu hareket biçimine İngilizce „epicycloidal” denir.) Bu elektron paketinin kovuklu çınlayıcıların yanından geçtiği sıradaki hızı çınlayıcıdan çınlayıcıya hattındaki giriş salınımının yayılma hızından biraz daha yüksektir. Böylece bu paket tümüyle frenlenir ve enerjisini çınlayıcıların sistemine aktarır. Salınımın yükseltilmesi bu şekilde sağlanmış olur. Resim 4: Bir kovuklu çınlayıcı ile “uzay-yük-çarkı” arasındaki karşılıklı etkileşim Resim 4: Bir kovuklu çınlayıcı ile “uzay-yük-çarkı” arasındaki karşılıklı etkileşim Resim 5: Çapraz Alan Yükseltecinin anot ve katot arasında kalan boşlukta, bütünüyle şekillenmemiş bir bulutu andıran “at arabalarında kullanılan tekerlek” biçimindeki görüntü Resim 5: Çapraz Alan Yükseltecinin anot ve katot arasında kalan boşlukta, bütünüyle şekillenmemiş bir bulutu andıran “at arabalarında kullanılan tekerlek” biçimindeki görüntü Magnetron da olduğu gibi, bir bisiklet tekerinin dönerken jant tellerinin yarattığı, ancak tam bir dairenin oluşamadığı, „uzay yük çarkı” („Space Charge Wheel”) benzeri bir görüntü (Resim 4) ortaya çıkar. Son çınlayıcıya varmadan az önce elektronlar anoda ulaşırlar ve yüksek frekanslı enerjilerini bırakırlar. Bu enerji anot doğru akımı olarak ölçülebilir. Çınlayıcıların tekli sayıda olması nedeniyle enerjinin bağlaşmayan kısmı şimdi girişte bir zıt bağlaşmaya (coupling) neden olur. Bu olumsuzluğu önlemek için tüpün girişi ve çıkışı arasına 5 nolu resimde tam altta görüldüğü gibi içi söndürücü bir malzeme olan grafitle dolu bir ayrı çınlayıcı daha konulur. Çapraz Alan Yükseltecinin bant genişliği kovuklu çınlayıcılarının biçimine bağlıdır ve merkez frekansının yaklaşık ±% 5 i civarındadır. Çıkış gücü, darbe gücünde birkaç megawatt, ortalama güçte birkaç on-kilowatt değerine ulaşabilir. İstenmeyen çalışma modlarından kaçınmak için, magnetron da olduğu gibi kısa devre halkaları takılır. Ancak magnetronun aksine bu halkalar giriş ve çıkışı doğrudan kısa devre etmez ve kesintisizde değildir. Çapraz Alan Yükselteçlerinin kullanıldığı yerler Bant genişliği, yüksek verimliliği ve çok yüksek güçleri yükseltme kabiliyeti gibi özellikleri nedeniyle Çapraz Alan Yükselteci hem radarlarda hem de iletişim teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu aygıt, gönderici yükselticilerinde özellikle yer almaktadır. Bunlar birbiri ardına dizilmiş tüpler halinde bulunabilirler. Gönderim sinyalinin biçiminde bir bozulma olmaması için bant genişliği sınırları içinde yükselticinin çok yüksek seviyede bir doğrusallıkla çalışması gerekir. Çapraz alan yükselteçleri 3 ila 20 dB arası nispeten düşük azami kazanç katsayılarına sahiptir. Yürüyen dalga tüpleri kazanç katsayılarının yüksek olması nedeniyle özellikle ön yükselteç olarak kullanılırlar. Çapraz Alan Yükseltecinin bir üstünlüğü de anot gerilimin kaybı durumunda giriş sinyalini çok az bir kayıpla çıkışa aktarabilmesidir. Bu özelliği nedeniyle çapraz alan yükselteci özel dolambaçlı hatlar kullanmak zorunda kullanmaya gerek kalmadan, yük aktarmada hem yedeklemeli çözümler oluşturmak hem de göreve-özel azami gücü azaltmak için kullanılır. Bunla beraber günümüzde yarıiletken göndericiler, bir çapraz alan yükseltecinin anma darbe gücü olmasa da ortalama gücünü pekâlâ yakalayabilmektedirler. Artık daha modern, çok-işlevli radar aygıtlarında aktif antenlerin yer almaya başlaması ve sayısal demet biçimlendirme tekniklerinin kullanılması nedeniyle çapraz alan yükselteçlerinin kullanımı gittikçe azalmaktadır. Not: Raytheon firmasından William C. Brown buluşunu „Amplitron“ adlandırmaktadır. Bu ad Raytheon firmasının Çapraz Alan Yükselteç serisi için kullandığı özgün bir ticari markadır.