http___radartutorial.de_08.transmitters_Y_C3_BCr_C3_BCyen_20Dalga_20T_C3_BCpleri.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 8.1 9.1 10.1 11.1 11.2 11.3 12.1 12.2 12.3 12.4 13.1 14.1 14.2 15.1 16.1 17.1 18.1 18.2 19.1 19.2 20.1 21.1 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 23.1 24.1 25.1 25.2 25.3 25.4 26.1 27.1 27.2 27.3 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 35.2 35.3 35.4 36.1 37.1 37.2 37.3 37.4 37.5 38.1 39.1 40.1 40.2 40.3 40.4 40.5 41.1 41.2 41.3 42.1 43.1 43.2 43.3 43.4 43.5 43.6 44.1 44.2 44.3 44.4 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 54.2 54.3 54.4 55.1 56.1 56.2 56.3 56.4 56.5 56.6 57.1 58.1 58.2 58.3 58.4 59.1 60.1 61.1 62.1 62.2 63.1 64.1 64.2 65.1 66.1 66.2 66.3 66.4 67.1 68.1 69.1 69.2 70.1 70.2 71.1 72.1 73.1 73.2 74.1 75.1 76.1 76.2 76.3 76.4 77.1 78.1 79.1 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1
Traveling Wave Tube What is a travelling wave tube? Figure 1: Physical construction of a TWT: ① Electron gun; ② Surrounding magnet; ③ Slow wave structure (here: Helix); ④ Collector; Figure 1: Physical construction of a TWT Figure 1: Physical construction of a TWT: ① Electron gun; ② Surrounding magnet; ③ Slow wave structure (here: Helix); ④ Collector; (interactive picture) Traveling Wave Tube Traveling Wave Tubes (abbr.: TWT, pronounced: “twit”) are vacuum tubes used as high-gain, low-noise, wide-bandwidth microwave wideband amplifiers. A TWT is capable of gains from 40 to 70 dB with bandwidths exceeding two octaves.[1] (A bandwidth of 1 octave is one in which the upper frequency is twice the lower frequency.) TWTs have been designed for frequencies as low as 300 Megahertz and as high as 100 Gigahertz.[1] Power level range from a few watts to 10 MW. The TWT is primarily a voltage amplifier. Together with the klystrons they form a special group of linear-beam tubes in context of velocity-modulated tubes. There are two different main types of TWT: - low-power Helix TWT occurs as a highly sensitive, low-noise and wideband amplifier in radar receivers and measurement equipment; - high-power Coupled-Cavity TWT are used as a power-amplifier for high-power transmitters, e.g. as pre-amplifier for crossed field amplifiers (CFA). They have significant higher output-power, but less bandwidth (10 … 20 percent). Both types have the same operating principles and they both incorporate the basic components shown in the Figure 1. They mostly differ in the construction of the slow-wave structure. The wide-bandwidth and low-noise characteristics make the TWT ideal for use as an RF amplifier in microwave equipment. On reason of the special low-noise characteristic they are widely used as an active RF amplifier element in microwave receivers and transmitters in radar systems and in space communications. Physical construction The physical construction of a typical TWT is shown in Figure 1. It consists of four basic elements: - Electron gun which produces and then accelerates an electron beam along the axis of the tube; - Magnetic electron beam focusing system which provides a magnetic field along the axis of the tube to focus the electrons into a tight beam; - Slow wave structure as RF- interaction circuit, e.g. a coiled wire (Helix) at the center of the tube, that provides a low-impedance transmission line for the RF energy within the tube; - Collector. The electron beam is received at the collector after it has passed through the slow wave structure. All components of the TWT are held under a very high vacuum. The RF input and output may couple onto and removed from the helix by waveguide directional couplers that have no physical connection to the helix. Figure 2: Variants of magnets: a) solenoid; b) permanent magnet; c) periodic permanent magnets Electron Gun The electron gun is similar in construction as in all cathode ray tubes. It consists of a indirect heated cathode, that must be heated to a temperature between 850° and 1 100° Celsius (≙ 1 500° to 2 000° Fahrenheit) to produce appreciable electron emission. A focusing grid with the same potential as the cathode (or a small negative bias up to −20 Volts relative to the cathode) directs the electrons in the desired direction. One or more anodes are used to generate the requisite electron velocity. The beam passes the anodes through a hole or a grid and travels through the slow wave structure. The electron gun is covered by a shielding box to prevent hazardous radiation. Surrounding Magnet The surrounding magnet provides a magnetic field along the axis of the tube to focus the electrons into a tight beam. This magnet may be either a permanent magnet or a solenoid (electromagnetic) focusing element (see Figure 2a). A permanent magnet doesn't need a power supply and ensures that the magnetic field is always present. The disadvantage is that a permanent magnet doesn't provide an adjustment of the magnetic field to optimize the tubes performance. If a single permanent magnet (see Figure 2b) is replaced by a number of smaller magnets then the size and total weight of the magnet structure is reduced (see Figure 2c). The housing is usually made of aluminum to prevent the disturbing influence of ferromagnetic materials. Extrinsic magnetic materials can interfere with the uniform magnetic field and destroy the traveling wave tube. Therefore, the packaging of a traveling wave tube has oversized dimensions often. attenuating cover bunching Figure 3: Amplified helix signal attenuating cover bunching Figure 3: Amplified helix signal Slow wave structure Since the electron beam into the tube must obviously travel slower than the speed of light, there must be some means of slowing down the forward velocity of the electromagnetic wave. The electron beam speed of a TWT is about 10 to 50 percent of the speed of light. The speed depends on the cathode voltage that may be between 4 to 120 Kilovolts. The slowdown is done by means of a slow wave structure, on which the electromagnetic wave propagates. Collector The collector is a voltage electrode of the TWT. It's the same potential as the body of the tube, and this is usually on ground. In the absence of an input signal, the entire beam energy must be dissipated in the collector. Forced air-cooling or liquid cooling of the collector is necessary at high-power TWTs. High-power TWTs often use multi-stage collectors as shown in Figure 1. Figure 4: Electron-beam bunching Functional describing The input voltage creates an additional axial electric field that moves as fast as the electron beam on the wire of the helix. This electric field accelerates (in the positive half-wave) or decelerates (in the negative half-wave) the electrons in the electron beam. This process is called velocity modulation. If the electrons of the beam were accelerated to travel faster than the waves traveling on the wire, electron bunching would occur through the effect of velocity modulation. (see Figure 4) By delivering energy to the electron beam, the power of the traveling wave decreases. The additional attenuator causes a decreasing to zero. This one attenuator also prevents any reflected waves from traveling back down the helix. Figure 5: Repelling of the electrons in the wire of the helix However, the velocity modulation is still effective in the electron beam. The faster electrons catch up with the slower electrons and bunching occurs. The electron- beam bunching already starts at the beginning of the helix and reaches its highest expression on the end of the helix. The electron bunches in the beam give up energy to the wire of the slow wave structure. They repel the electrons in the wire and generate a new one travelling wave in the helix. The energy from bunches would increase the amplitude of the traveling wave in a progressive action that would take place all along the length of the TWT. The injection of the wave in the slow wave structure (as shown in Figure 5) causes a phase shift of −90 degrees relative to the initial waveform. When the electrons deliver their energy to the wave in the helix, they slow down. In some TWTs the helix is made narrower at the end of the tube therefore. This slows down the speed of the electromagnetic wave in the slow wave structure as well. Characteristics of a TWT Figure 6: characteristic of a traveling wave tube Figure 6: characteristic of a traveling wave tube Power amplification The attainable power-amplification is essentially dependent on the following factors: - constructive details (e.g. structure and length of the helix) - electron beam diameter (adjustable by the density of the focusing magnetic field) - power input (see Figure 6) - voltage UA2 on the helix As shown in the Figure 6, the gain of a given TWT has got linear characteristic of about 26 dB at small input power. If you increase the input power, the output power doesn't increase for the same gain. So you can prevent a saturation of e.g the following mixer stage in a radar receiver. The relatively low efficiency of the TWT partially offsets the advantages of high gain and wide bandwidth. Bandwidth The gain of a TWT is affected by the interaction of the electrons with the electric field caused by the wave in the slow wave structure. The effectiveness depends on the frequency response of the slow wave structure. A helix may have a bandwidth of more than two octaves. If the slow wave structure contains resonant parts, then the bandwidth depends on its frequency response. The bandwidth of commonly used Coupled-Cavity TWTs is about 10 … 20 percent of the center frequency. Noise Figure The most important parameter for the use of the traveling wave tube as a pre-amplifier in radar receivers is the noise figure of the traveling wave tube. This determines the sensitivity of the receiver and thus the maximum range of the radar. The noise figure of recently used TWTs is 3 … There are three unavoidable sources of noise in a travelling wave tube: - Shot noise results from the random emission of electrons of the cathode - Velocity noise arises from different velocities of the emitted electrons. - Johnson–Nyquist noise is the electronic noise generated by the thermal agitation of the electrons. The noise figure depends on the size of most supply voltages of the traveling wave tube. For example, if the voltages at the electrodes are 5% less than the optimum values, the noise figure approximately doubles. Different Slow Wave Structures The previously described helix may be replaced by some other slow wave structure such as a ring-bar, ring loop, or coupled cavity structure. The structure is chosen to give the characteristic appropriate to the desired gain/bandwidth and power characteristics. Contra-wound Helix A contra-wound helix uses two helices wound in opposite directions. Both helices must be identical in dimensions. A contra-wound helix is less sensitive to backward waves interactions and therefore allows higher operating voltages, currents and power. The penalty for these advantages is that the bandwidth is less than that of a single helix. Ring-Loop TWT Figure 8: Ring-Loop slow wave structure A Ring Loop TWT uses loops as slow wave structure to tie the rings together. These devices are capable of higher power levels than conventional helix TWTs, but have significantly less bandwidth of 5…15 percent and lower cut-off frequency of 18 GHz. The feature of the ring-loop slow wave structure is high coupling impedance and low harmonic wave components. Therefore ring-loop traveling wave tube has advantages of high gain (40…60 Decibels), small dimension, higher operating voltage and less danger of the backward wave oscillation. Figure 9: Ring-Bar slow wave structure Ring-Bar TWT The Ring-Bar TWT was developed from the contra-wound helix and has got the same characteristics likely the Ring-Loop TWT. This one slow wave structure is very easy to make by precise laser cuts in a thin copper pipe. Figure 10: Coupled-cavity slow wave structure Coupled-cavity TWT The Coupled-cavity TWT uses a slow wave structure of a series of cavities coupled to one another. The resonant cavities are coupled together with a transmission line. The electron beam (shown in Figure 9 as red beam) is velocity modulated by an RF input signal at the first resonant cavity. This RF energy (displayed as blue arrow) travels along the cavities and induces RF voltages in each subsequent cavity. If the spacing of the cavities is correctly adjusted, the voltages at each cavity induced by the modulated beam are in phase and travel along the transmission line to the output, with an additive effect, so that the output power is much greater than the power input. Bildergalerie von Wanderfeldröhren Picture gallery of Travelling wave tubes Figure 11: High-power TWT VTR 572B used in HADR Radar Figure 12: Russian low-power TWT UV-1B (cyrillic: yB-1Б) used in P-37 “Bar Lock” (the measure in the detail enlargement is given for 20 windings) Sources and ressorces: - Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Travelling Wave Tubes'', (Course-related training material), March 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2
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 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1 68.1 69.1 70.1 71.1 72.1 73.1 74.1 75.1 76.1 77.1 78.1 79.1 80.1
Yürüyen Dalga Tüpleri Resim 1: Yüksek güçlü yürüyen dalga tüpü VTR 572B Resim 1: Yüksek güçlü yürüyen dalga tüpü VTR 572B Resim 1: Yüksek güçlü yürüyen dalga tüpü VTR 572B Yürüyen Dalga Tüpleri Yürüyen dalga tüpleri (TWT = Traveling Wave Tubes) geniş bantlı yükselteçlerdir. Bu bakımdan hız modülasyonlu tüpler içerisinde önemli bir yere sahiptir. Özellikle düşük gürültü katsayılarına sahip olmaları nedeniyle, alıcı cihazlarında ayrıca aktif yüksek frekans yükselticisi olarak ta kullanılmaktadır. Kullanım amaçlarına bağlı olarak yürüyen dalga tüpleri iki gruba ayrılır: - Giriş yükselteci yürüyen dalga tüpleri yüksek hassasiyetleri, düşük gürültü katsayıları ve geniş bantları nedeniyle radarda giriş yükselteci olarak yer alırlar. - Güç yükselteci yürüyen dalga tüpleri en çok, gönderici kademelerinde ön yükseltici olarak kullanılır. Resim 2: Rus malı bir sekiz-soketli yB-1Б model yürüyen dalga tüpü Resim 2: Rus malı bir sekiz-soketli yB-1Б model yürüyen dalga tüpü Resim 2: Rus malı bir sekiz-soketli yB-1Б model yürüyen dalga tüpü Yapı ve işlev Yürüyen dalga tüplerinin gürültü seviyeleri düşük ve yükseltme oranları çok büyük geniş bantlı mikrodalga yükselteçleridir. Bir oktavdan daha büyük bant genişlikli 40 dB e kadar yükseltme oranları çok sık görülür. Yürüyen dalga tüpleri 300 MHz den 50 GHz i aşan frekanslar için imal edilirler. Bir yürüyen dalga tüpü her şeyden önce bir yükselteçtir. Yürüyen dalga tüpleri büyük bant genişlikleri ve büyük yükseltme oranları nedeniyle radar teknolojisinde gittikçe daha geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. malzeme tabancası Resim 3: Bir yürüyen dalga tüpünün yapısı malzeme tabancası Resim 3: Bir yürüyen dalga tüpünün yapısı malzeme tabancası Resim 3: Bir yürüyen dalga tüpünün yapısı sinyali kaplamanın etkisi indüklenen gerilim modülasyonu Resim 4: Sarmalda, yükseltilmiş yüksek frekanslı sinyal sinyali kaplamanın etkisi indüklenen gerilim modülasyonu Resim 4: Sarmalda, yükseltilmiş yüksek frekanslı sinyal Resim 3 de bir yürüyen dalga tüpünün yapısı görülmektedir. Elektron ışınımları, katottan başlayarak Wehnelt silindiri (elektron tabancasında elektron demetlerini odaklayan ve kumanda eden bir elektrot) ve dışarıya konulmuş daimi bir mıknatıs alanı tarafından demetlenir ve sarmal içerisinden geçerek kollektöre varırlar. Yüksek frekans girişinde konuşlanmış dalgalar tel sarmala varır ve yüksek frekans çıkışına doğru çoğalarak yayılırlar. Dalgaların sarmaldaki daha uzun yolları katetmeleri gerektiğinden, dalgaların yüksek hızı, elektron ışınımlarının yavaş hızları ile dengelenir; öyle ki her ikisi de yüksek frekans çıkışı yakınına vardıklarında hızları eşitlenmiştir. Aynı zamanda dalgalar, sarmalda lokal olarak mevcut kendi elektrik alanıyla elektron ışınımın hızını kısmen arttırarak ve kısmen yavaşlatarak etkiler (yani hız modülasyonu yapar). Bu bize klistrondan bildiğimiz yoğunluk modülasyonunu çağrıştırmaktadır. Şekilde, sarmal iletkenin içinde dalgalar tarafından meydana gelen eksenel elektrik alanı görülmektedir. Resim 5: Elektronların hız modülasyonu ve bir sarmalın detay fotoğrafı (Büyütülen bölüm 20 sarmal teli turu içindir.) Resim 5: Elektronların hız modülasyonu ve bir sarmalın detay fotoğrafı (Büyütülen bölüm 20 sarmal teli turu içindir.) Resim 5: Elektronların hız modülasyonu ve bir sarmalın detay fotoğrafı (Büyütülen bölüm 20 sarmal teli turu içindir.) Yoğunluk modülasyonu hemen sarmal girişinde başlar ve sarmal sonunda en yüksek biçimine ulaşır. Hız modülasyonun frekansı girişte konuşlanan dalgaların frekansı ile aynıdır. Yoğunluk modülasyonu sırasında mevcut elektron paketleri bu sefer dalgaları etkilerler, bu süreçte sırayla enerjiyi alır ve verirler. Uygun yapısal önlemler alındığında, dalgalar tarafından emilen enerjiden epeyce fazlasının dalga tarafından verilmesi sağlanır ve yüksek frekans çıkışında önemli ölçüde yükseltilmiş bir yüksek frekanslı sinyal oluşur. Karakteristik özellikler Resim 6: Bir yürüyen dalga tüpü karakteristikleri Resim 6: Bir yürüyen dalga tüpü karakteristikleri Ulaşılabilmesi mümkün güç yükseltimi esas olarak aşağıdaki etmenlere bağlıdır: - yapısal detaylar (örneğin sarmal uzunluğu) - elektron demet çapı (odaklayıcı manyetik akının akı yoğunluğu B ile ayarlanabilir) - giriş gücü (bak Resim 6) - sarmal gerilimi UA2 Resim 6 e bakıldığında küçük giriş güçlerinde bir doğrusal işlev bölgesini ve bu bölgede sabit 26 dB lik güç yükseltimi görürüz. Eğer giriş gücünü yükseltirsek, çıkış gücü daha fazla yükselmeyecektir, yani yükseltme katsayısı azalacaktır. Ortaya, çok güçlü giriş sinyallerinin bir sonraki katın (örneğin, karıştırma katının) aşırı sürülmesini (overdriving) önleyen bir sınırlayıcı etki çıkmaktadır. Yürüyen dalda tüplerinde ki, elektron ışınımı ve ilerleyen dalga arasında ki karşılıklı etkileşimiyle oluşan yükseltme etkisi bir gecikme hattına vardığında, ulaşılabilir bant genişliği değerinden her şeyden önce sarmalın frekanssal davranışı sorumludur. „İletim tekniği” başlıklı sayfada anlatıldığı gibi, bir iletim hattında frekansa bağımlı olmayan bir alan dağılımına, sadece, bu iletim hattı uyumlu (matched) çalışıyorsa varılır. Bu uyum (matching) doğal olarak sınırlı bir frekans bandı içinde korunabilir, buna rağmen bu bandın genişliği birkaç GHz lik değerlere varır. Yürüyen dalga tüplerinin bir yükselteç tüpü olarak kullanılmasında öne çıkan en önemli parametre, yürüyen dalga tüplerinin, tüm alıcıların duyarlılığı ve radar istasyonunun menzil yeteneği üzerinde belirleyici etkisi olan düşük gürültü katsayısıdır. Modern yürüyen dalga tüplerinde gürültü katsayısı 3 ila 10 dB arasındadır. Gürültünün ana nedenleri şunlardır: - Saçma, atış etkisi (elektron tüplerinde olduğu gibi); - Akım dağılım etkisi (çok ızgaralı tüplerde olduğu gibi); - katottan eşit olmayan, düzensiz elektron çıkışı. Gürültü katsayısı, en çok yürüyen dalga tüpünün besleme gerilimi büyüklüklerine bağlıdır. Eğer, elektrotlarda ki gerilimler, örneğin optimal değerinin % 5 altında ise gürültü katsayısı yaklaşık iki misli artar. Yürüyen dalga tüplerinin uyumu tüm bant genişliğince sağlanamadığından, yürüyen dalga tüplerinin girişi ve çıkışı arasında yansımalar meydana gelir. Bu kendinden uyartımlı salınımların tehlikesini azaltmak için ilaveten sarmal zayıflatılır. Bu zayıflatma ya: - yoğun zayıflatma (sarmalın yada sarmal tutucuların grafitle kaplanması) veya - sürekli zayıflatma (sarmalın demir, nikel gibi iletkenliği kötü malzemeden yapılması) ile gerçekleştirilir. Farklı geciktirme devresi Halkalı Yürüyen Dalga Tüpü Resim 7: Halkalı geciktirme devresi Halkalı tip yürüyen dalga tüpleri özel bir biçime sahip geciktirme hattı kullanırlar ve bu sayede daha fazla güç sağlayabilirler. Bu cihazlar parazitik kapasitansları nedeniyle sarmallı yürüyen dalga tüplerine göre sadece 18 GHz de oldukça düşük bir üst kesme frekans (cut-off frequency) değerine sahiptirler. Sarmallı yürüyen dalga türlerinde kazancın 40…60 dB olmasına rağmen bant genişliği %5…15 arasında kalır. X-bandında 8 kW lık bir darbe tepe gücü yaklaşık 400 W lık ortalama güç ile elde etmek mümkün olabilmektedir. Resim 8: Çubuk halkalı geciktirme devresi Çubuk Halkalı Yürüyen Dalga Tüpü Çubuk halkalı tip yürüyen dalga tüpü, halkalı tip yürüyen dalga tüpleri ile benzer özelliklere sahiptirler. Çubuk halka geciktirme hatları bir bakır tüpten lazer ile kesilerek kolayca yapılabilirler. Bu tür halkalar titreşimlere daha fazla dayanıklıdırlar. Resim 9: Oyuklu çınlayıcı geciktirme devresi Bağlaşımlı Oyuklu (coupled-cavity) Yürüyen Dalga Tüpleri Keza, bağlaşımlı yürüyen dalga tüpleri de birbirine seri bağlı oyuklardan meydana gelen bir özel geciktirme hattı kullanırlar. Birbirlerine ayarlı (tuned) bu oyuklu çınlayıcılarda ki (cavity resonators) karşılıklı yarıklardan (slits) geçerek akan elektronlar iletimi sağlarlar. Resim.9 da mavi renkle gösterilen YF-enerjisi oyuklu çınlayıcılardaki yarıklardan geçerek zikzak biçiminde ilerlerler ve bunun sonucunda kırmızı renkle gösterilen bir daimi elektron akımı meydana getirirler. Her bir çınlayıcıda doğru ayar yapılması koşuluyla sağlanan yüksek kazanç birbirine eklenerek bağlaşımlı oyuklu yürüyen dalga tüpünün oldukça yüksek bir güce sahip olmasını sağlar. Üst kesme frekansı daha iyidir, ancak çınlayıcıların frekansa bağımlı oluşu sonucu bant genişliği hayli daralır.