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 6.2 6.3 6.4 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 11.2 12.1 12.2 13.1 13.2 14.1 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 16.1 17.1 18.1 18.2 19.1 20.1 21.1 21.2 22.1 23.1 24.1 24.2 25.1 26.1 27.1 27.2 28.1 29.1 30.1 30.2 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 32.1 33.1 33.2 34.1 35.1 36.1 36.2 37.1 38.1 39.1 39.2 40.1 41.1 41.2 41.3 41.4 41.5 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 50.2 50.3 50.4 51.1 51.2 51.3 52.1 53.1 53.2 54.1 55.1 56.1 56.2 57.1 57.2 58.1 59.1 60.1 60.2 61.1 62.1 63.1 63.2 63.3 63.4 64.1
Traveling Wave Tube Figure 1: high-power twt VTR 572B Figure 1: high-power twt VTR 572B Figure 1: high-power twt VTR 572B Traveling Wave Tube Traveling wave tubes (twt) are wideband amplifiers. They take therefore a special position under the velocity-modulated tubes. On reason of the special low-noise characteristic often they are in use as an active RF amplifier element in receivers additional. There are two different groups of twt: - low-power twt for receivers occurs as a highly sensitive, low-noise and wideband amplifier in radar equipments - high-power twt for transmitters these are in use as a pre-amplifier for high-power transmitters. Figure 2. Russian low-power twt UV-1B (cyrillic: yB-1Б) Figure 2. Russian low-power twt UV-1B (cyrillic: yB-1Б) Figure 2. Russian low-power twt UV-1B (cyrillic: yB-1Б) Physical construction and functional describing The Traveling Wave Tube (twt) is a high-gain, low-noise, wide-bandwidth microwave amplifier. It is capable of gains greater than 40 dB with bandwidths exceeding an octave. (A bandwidth of 1 octave is one in which the upper frequency is twice the lower frequency.) Traveling-wave tubes have been designed for frequencies as low as 300 megahertz and as high as 50 gigahertz. The twt is primarily a voltage amplifier. The wide-bandwidth and low-noise characteristics make the twt ideal for use as an rf amplifier in microwave equipment. resonators cover Figure 3. - Physical construction of a twt resonators cover Figure 3. - Physical construction of a twt resonators cover Figure 3. - Physical construction of a twt attenuating cover bunching Figure 4. - Amplified helix signal attenuating cover bunching Figure 4. - Amplified helix signal The physical construction of a typical twt is shown in figure 3. The twt contains an electron gun which produces and then accelerates an electron beam along the axis of the tube. The surrounding magnet provides a magnetic field along the axis of the tube to focus the electrons into a tight beam. The helix, at the center of the tube, is a coiled wire that provides a low-impedance transmission line for the rf energy within the tube. The rf input and output are coupled onto and removed from the helix by waveguide directional couplers that have no physical connection to the helix. The attenuator prevents any reflected waves from traveling back down the helix. The following figure shows the electric fields that are parallel to the electron beam inside the helical conductor. Figure 5. - electron- beam bunching and a detail-foto of a helix (Measure detail for 20 windings) Figure 5. - electron- beam bunching and a detail-foto of a helix (Measure detail for 20 windings) Figure 5. - electron- beam bunching and a detail-foto of a helix (Measure detail for 20 windings) The electron- beam bunching already starts at the beginning of the helix and reaches its highest expression on the end of the helix. If the electrons of the beam were accelerated to travel faster than the waves traveling on the wire, bunching would occur through the effect of velocity modulation. Velocity modulation would be caused by the interaction between the traveling-wave fields and the electron beam. Bunching would cause the electrons to give up energy to the traveling wave if the fields were of the correct polarity to slow down the bunches. The energy from the bunches would increase the amplitude of the traveling wave in a progressive action that would take place all along the length of the twt. Characteristics of a twt Figure 6: characteristic of a traveling wave tube Figure 6: characteristic of a traveling wave tube The attainable power-amplification are essentially dependent on the following factors: - constructive details (e.g. length of the helix) - electron beam diameter (adjustable by the density of the focussing magnetic field) - power input (see figure 6) - voltage UA2 on the helix As shown in the figure 6, the gain of the twt has got a 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 an oversteer of e.g the following mixer stage. The relatively low efficiency of the twt partially offsets the advantages of high gain and wide bandwidth. Given that the gain of an twt effect by the electrons of the beam that interact with the electric fields on the delay structure, the frequency behaviour of the helix is responsible for the gain. The bandwidth of commonly used twt can achieve values of many gigahertzes. The noise figure of recently used twt is 3 ... 10 dB. 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. Ring-Loop TWT Figure 7: 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 8: Ring-Bar slow wave structure Ring-Bar TWT The Ring-Bar TWT has got characteristics likely the Ring-Loop TWT. The slow wave structure can be made easier by cut-out the structure of a copper tube. Figure 9: 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.
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.