http___radartutorial.de_08.transmitters__C3_87apraz_20Alan_20Y_C3_BCkselteci_20_28Amplitron_29.tr.html_2.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 63.1 64.1 65.1 66.1 67.1
Çapraz Alan Yükselteci (Amplitron) kılavuzu girişi kılavuzu çıkışı çınlayıcılardan oluşan anot malzeme Resim 2: Bir Çapraz Alan Yükseltecinde seçilmiş elektronların dairesel yörüngeleri kılavuzu girişi kılavuzu çıkışı çınlayıcılardan oluşan anot malzeme Resim 2: Bir Çapraz Alan Yükseltecinde seçilmiş elektronların dairesel yörüngeleri Çapraz Alan Yükselteci (Amplitron) Resim 1: Taşıma kasası içine konulmuş bir su soğutmalı amplitron, L–4756A Çapraz Alan Yükseltecinin (amplitron) yapısı magnetrona benzer, ancak amplitron kendiliğinden salınan bir osilatör değil, daha ziyade nispeten daha geniş bantlı bir yükselteçtir. Amplitron için teknik yazında değişik görev amaçlarına yönelik olarak farklı nitelemeler kullanılmaktadır. - Platinotron Elektron akımı kesilmiş ve gecikme sistemi devre dışı bırakılmış ters dalga tüpleri için bir üst kavram; - Amplitron Doğrusal olmayan bir güç yükselteci olarak platinotron - Stabilotron Kararlı yüksek frekans üreteci olarak, geri beslemeli ve tınlaşım (resonance) devresi ile amplitronun bir türü; - Magnetron yükselteci: (anlamsız bir isim) - Çapraz alan yükselteci İşlevinin belirtildiği, daha eski bir ad (Crossed-Field Amplifier, CFA) - Platinotron Elektron akımı kesilmiş ve gecikme sistemi devre dışı bırakılmış ters dalga tüpleri için bir üst kavram; - Amplitron Doğrusal olmayan bir güç yükselteci olarak platinotron - Stabilotron Kararlı yüksek frekans üreteci olarak, geri beslemeli ve tınlaşım (resonance) devresi ile amplitronun bir türü; - Magnetron yükselteci: (anlamsız bir isim) - Çapraz alan yükselteci İşlevinin belirtildiği, daha eski bir ad (Crossed-Field Amplifier, CFA) - Platinotron Elektron akımı kesilmiş ve gecikme sistemi devre dışı bırakılmış ters dalga tüpleri için bir üst kavram; - Amplitron Doğrusal olmayan bir güç yükselteci olarak platinotron - Stabilotron Kararlı yüksek frekans üreteci olarak, geri beslemeli ve tınlaşım (resonance) devresi ile amplitronun bir türü; - Magnetron yükselteci: (anlamsız bir isim) - Çapraz alan yükselteci İşlevinin belirtildiği, daha eski bir ad (Crossed-Field Amplifier, CFA) Stabilotron, oldukça kararlı kovuklu çınlayıcı üzerinden harici geri beslemeli (bağlaşımlı), bir Çapraz Alan Yükseltecinden meydana gelen bir salınım devresidir. Çapraz Alan Yükseltecinin yapısı Çapraz Alan Yükselteci (sıkça amplitron olarakta anılır) magnetron gibi, elektron akışının bir geciktirme hattı boyunca akan elektromanyetik dalga ile etkileşime girdiği Hız Modülasyon Tüpleri grubunda yer alır. Amplitron, magnetron gibi; katottan, gecikme sistemli eş merkezli olarak yerleştirilmiş anot bloklarından, bir dizi kovuk çınlayıcıdan (resonance cavity) ve bir mıknatıs sisteminden meydana gelir. Çapraz Alan Yükselteci çok verimli bir yükselteç tüpüdür, çok yüksek güçler için tasarlanmıştır. Çapraz Alan Yükselteci, magnetronun aksine, kendiliğinden salınan bir osilatör değildir, daha ziyade nispeten geniş bantlı bir yükselteçtir. Magnetron ile Çapraz Alan Yükselteci arasındaki temel fark, Çapraz Alan Yükselteçlerinde yalnızca tek çıkışa sahip bir kapalı gecikme sisteminin olmayışıdır. Amplitronun gecikme sisteminde hem bir giriş hem de bir çıkış vardır. Çapraz Alan Yükseltecinde gecikme sistemi yoktur ve gecikme sistemi kesintilidir ve anodunda mutlaka tekli sayılı çınlayıcının bulunması gerekir. daha da ivmeleniyor daha negatif bir gerilim ile frenleniyorlar Resim 3: Giriş işaretli ilk çınlayıcı da salınımları başlatıyor daha da ivmeleniyor daha negatif bir gerilim ile frenleniyorlar Resim 3: Giriş işareti ilk çınlayıcıyı salınıma başlatıyor Çapraz Alan Yükseltecinin çalışması Kuvvetli negatif yüklü oksit katot (genellikle şase gerilimine bağlı) ve anottaki çınlayıcı elemanların iç yüzeyleri arasında oluşan kuvvetli bir elektrik alanı katottan salınan elektronları anoda doğru ivmelendirir. Bu elektrik alanına dik yönde (çapraz nitelemesi de buradan geliyor) bulunan bir kuvvetli sabit mıknatısın ya da elektromıknatısın manyetik alanı oluşur ve bu alan, bir giriş salınımının bulunmadığı durumda, Resim. 2 de görüldüğü gibi, elektronların eş biçimli dairesel yörüngelerle anoda doğru yol almasını sağlar. (Ancak, tam anot geriliminde hiç bir giriş işareti yoksa bu durumdan kaçınılmalıdır. Aksi takdirde tüp çok kuvvetli gürültü üretir.) Giriş dalga kılavuzundan ilk kovuklu çınlayıcıya şimdi bir yüksek frekanslı salınım uygulanırsa (Resim. 3 e bakınız), bu kovuklu çınlayıcının kendi ayırma duvarlarında anot doğru gerilimiyle girişimi sonucu bir ilave elektrik alanı meydana gelir. Yüksek frekans öyle yüksektir ki, çok yavaş elektronlar bile bir salınım periyodunda anoda ulaşabilirler. Ayırma duvarlarında oluşan ilave pozitif gerilim bazı elektronları daha da ivmelendirir ve daha negatif zıt gerilim ise diğer elektronları bir miktar frenler. Daha hızlı elektronlar daha yavaş elektronları yakalayarak anot ve katot arasındaki hacimde bir Uzay-Yük- Çarkı (elektron paketi) biçiminde kümeleştirirler. Katot ile anot arasında yer alan (yüksek frekanslı gerilim ile girişmiş) elektrik alanının ve bu alana dik yöndeki manyetik alanın etkisi altında elektronlar merkezden dışa doğru hareket ederler. Katot ile anot arasındaki elektrik alanının (yüksek frekanslı gerilim ile girişmiş) ve bu alana dik yöndeki manyetik alanın etkisi altında elektronlar merkezden dışa doğru hareket ederken, bir yandan da çember çizerler. Bu hareket biçimine episikloit (epicycloidal) denir. Bu elektron kümelerinin kovuklu çınlayıcıların yanından geçtiği sıradaki hızı, giriş salınımının bir çınlayıcıdan diğer çınlayıcıya geçişi sırasındaki yayılma hızından biraz daha yüksektir. Sonuç olarak bu paketler tümüyle frenlenir ve enerjilerini çınlayıcı sistemindeki salınımına bırakırlar. Bu şekilde salınımların yükseltilmesi 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, kesintiye uğramış „uzay-yük-çarkı“ biçimindeki görüntü Resim 5: Çapraz Alan Yükseltecinin anot ve katot arasında kalan boşlukta, kesintiye uğramış „uzay-yük-çarkı“ biçimindeki görüntü Magnetronda olduğu gibi, bir bisiklet tekerinin jant tellerinin dönerken yarattığı görüntüye benzer, ancak tam bir dairenin oluşmadığı, bir görüntüye sahip, bu „Uzay-Yük-Çarkı“ (“Space Charge Wheel”) ortaya çıkar (Resim 4). Elektronlar son oyuklu çınlayıcıya varmadan az önce anoda ulaşırlar ve enerjilerini yüksek frekanslı salınıma bırakırlar. Burada tüpteki anot akımı, doğru akım 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 arasındaki bireysel çınlayıcı (5 nolu resimde tam alttaki) söndürücü bir malzeme olan grafitle doldurulur. Çapraz Alan Yükseltecinin bant genişliği kovuklu çınlayıcılarının tasarımına bağlıdır ve merkez frekansının yaklaşık ±% 5 i civarındadır. Çıkıştaki darbe gücü birkaç megavata, ortalama güç ise birkaç on-kilovata ulaşabilir. İstenmeyen çalışma modlarını önlemek için, istenen mod, magnetronda da olduğu gibi, giriş ve çıkışı doğrudan kısa devre etmemeleri için kesintili bir yapıya sahip kısa devre halkaları uygulanarak sağlanır. Çapraz Alan Yükselteçlerinin kullanıldığı yerler Bant genişliği, yüksek verimliliği ve çok yüksek güç yükseltme yeteneği gibi özellikleri nedeniyle Çapraz Alan Yükselteci hem radarlarda, hem de iletişim teknolojisinde yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. Bu aygıt özellikle göndericilerin çıkış katında yükseltici olarak görev yapar. Bunlar birbiri ardına dizilmiş tüpler halinde bulunabilirler. Gönderim işaretinin biçiminde bir bozulma olmaması için bant genişliği sınırları içinde yükseltecin çok yüksek seviyede bir doğrusallıkla çalışması gerekir. Çapraz Alan Yükselteçlerinin en büyük kazanç katsayıları 3 ila 20 dB gibi nispeten düşük değerlerdir. Tipik olarak, Yürüyen Dalga Tüpleri kazanç katsayılarının yüksek olması nedeniyle özellikle ön yükselteç olarak kullanılırlar. Çapraz Alan Yükseltecinin bir üstünlüğü de, anot gerilimin olmaması durumunda giriş işaretini çok az bir kayıpla çıkışa aktarabilmesidir. Bu özelliği nedeniyle, Çapraz Alan Yükselteci, özel dolambaçlı hatlar kullanmaya gerek kalmadan, hem yedeklemeli çözümler oluşturmak hem de göreve-özel en büyük gücü düşürmek için de kullanılır. Bununla beraber, günümüzde yarıiletken göndericiler bir Çapraz Alan Yükseltecinin anma darbe gücü olmasa da, ortalama gücüne pekâlâ ulaşabilmektedir. 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.