Генератор обратной волны - Backward-wave oscillator

Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Июль 2011 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Миниатюрная лампа обратной волны O-типа, произведенная компанией Varian в 1956 году. Она могла настраиваться по напряжению в диапазоне 8,2–12,4 ГГц и требовала напряжения питания 600 В.

Генератор обратной волны в Стокгольмском университете, работающий в терагерцовом диапазоне

А генератор обратной волны (BWO), также называемый карцинотрон (торговое наименование трубок, производимых CSF, сейчас же Фалес ) или же лампа обратной волны, это вакуумная труба который используется для создания микроволны вверх к терагерц классифицировать. Принадлежность к лампа бегущей волны семья, это осциллятор с широким диапазоном электронной настройки.

An электронная пушка генерирует электронный луч который взаимодействует с замедляющей структурой. Он поддерживает колебания путем распространения бегущей волны назад против луча. Созданный электромагнитная волна власть имеет групповая скорость направлена ​​противоположно направлению движения электронов. Выходная мощность выводится около электронной пушки.

Он имеет два основных подтипа: M-тип (M-BWO), самый мощный, и O-образный (O-BWO). Выход мощность O-типа обычно находится в диапазоне 1 мВт при 1000 ГГц до 50 мВт при 200 ГГц. Карцинотроны используются как мощные и стабильные источники микроволн. За счет хорошего качества волновой фронт они производят (см. ниже), они находят применение в качестве осветителей в терагерц визуализация.

Генераторы обратной волны были продемонстрированы в 1951 г. M-тип к Бернард Эпштейн^[1]и O-образный к Рудольф Компфнер. BWO M-типа представляет собой нерезонансную экстраполяцию управляемых напряжением магнетрон взаимодействие. Оба типа настраиваются в широком диапазоне частот путем изменения ускорения. Напряжение. Они могут проходить через полосу достаточно быстро, чтобы излучать сразу всю полосу, что делает их пригодными для эффективного использования. радиолокационные помехи, быстро настраиваясь на частоту радара. Карцинотроны позволили использовать бортовые радиолокационные помехи высокой эффективности. Тем не мение, частотно-гибкий радары может скачивать частоты достаточно быстро, чтобы заставить глушитель использовать заградительный удар, уменьшая его выходную мощность в широком диапазоне и значительно снижая его эффективность.

Карцинотроны используются в исследовательских, гражданских и военных целях. Например, чехословацкая Пассивный датчик Kopac и Пассивный датчик Ramona Системы обнаружения ПВО использовали карцинотроны в своих приемных системах.

Основная концепция

Схема концепции. Сигналы проходят от входа к выходу, как описано в тексте на изображении.^[2]

Все лампы бегущей волны работают одинаково и различаются в основном деталями своей конструкции. Концепция зависит от постоянного потока электроны из электронная пушка которые проходят по центру трубы (см. схема концепции). Электронный луч окружает своего рода радиочастота исходный сигнал; в случае традиционных клистрон это резонансная полость, на которую подается внешний сигнал, тогда как в более современных устройствах есть серия этих полостей или спиральная металлическая проволока, на которую подается тот же сигнал.^[2]

Когда электроны движутся по трубке, они взаимодействуют с радиочастотным сигналом. Электроны притягиваются к областям с максимальным положительным смещением и отталкиваются от отрицательных областей. Это заставляет электроны группироваться по мере того, как они отталкиваются или притягиваются по длине трубки, процесс, известный как модуляция скорости. Этот процесс заставляет электронный пучок принимать ту же общую структуру, что и исходный сигнал; плотность электронов в пучке соответствует относительной амплитуде радиочастотного сигнала в индукционной системе. Электронный ток зависит от деталей пушки и обычно на несколько порядков мощнее входного радиочастотного сигнала. Результатом является сигнал в электронном луче, который является усиленной версией исходного радиочастотного сигнала.^[2]

Когда электроны движутся, они создают магнитное поле в любом соседнем проводнике. Это позволяет извлечь усиленный сигнал. В таких системах, как магнетрон или клистрон, это достигается с помощью другой резонансной полости. В спиральных конструкциях этот процесс происходит по всей длине трубки, усиливая исходный сигнал в спиральном проводнике. «Проблема» традиционных конструкций в том, что они имеют относительно узкую полосу пропускания; конструкции на основе резонаторов будут работать с сигналами в пределах 10% или 20% от их конструкции, поскольку это физически встроено в конструкцию резонатора, в то время как конструкции спирали имеют гораздо более широкую пропускная способность, возможно, 100% по обе стороны от пика дизайна.^[3]

BWO

ЛОВ построен аналогично спиральной ЛБВ. Однако вместо того, чтобы радиочастотный сигнал распространялся в том же (или подобном) направлении, что и электронный луч, исходный сигнал распространяется под прямым углом к ​​лучу. Обычно это достигается путем просверливания отверстия в прямоугольном волноводе и пропускания луча через отверстие. Затем волновод проходит два поворота под прямым углом, образуя С-образную форму и снова пересекая луч. Этот базовый узор повторяется по длине трубки, поэтому волновод проходит через луч несколько раз, образуя серию S-образных форм.^[2]

Исходный радиочастотный сигнал поступает с дальнего конца ЛБВ, где будет извлекаться энергия. Воздействие сигнала на луч ближнего света вызывает тот же эффект модуляции скорости, но из-за направления радиочастотного сигнала и особенностей волновода эта модуляция распространяется вдоль луча назад, а не вперед. Это распространение, медленная волна, достигает следующего отверстия в свернутом волноводе точно так же, как и та же фаза радиочастотного сигнала. Это вызывает усиление, как и при традиционной ЛБВ.^[2]

Разница между двумя системами заключается в том, что в ЛБВ скорость распространения по спирали должна быть аналогична скорости распространения электронов в пучке. В BWO дело обстоит иначе. Волновод налагает строгие ограничения на полосу пропускания сигнала и устанавливает скорость его распространения как основную функцию его конструкции, но скорость сигнала, индуцируемого в электронный пучок, зависит от скорости электронов. Это означает, что частота выходного сигнала может быть изменена путем изменения скорости электронов, что легко достигается путем изменения напряжения электронной пушки.^[2]

Карцинотрон

На этом изображении показано влияние четырех самолетов с карцинотронами на типичный импульсный радар 1950-х годов. Самолеты расположены примерно в 4 и 5:30 местах. Дисплей заполняется шумом каждый раз, когда главный или боковые лепестки антенны проходят через генератор помех, что делает самолет невидимым.

Изначально устройство получило название «карцинотрон», потому что оно было похоже на рак к существующим радар системы. Путем простого изменения напряжения питания устройство могло выдавать любую требуемую частоту в полосе частот, которая была намного больше, чем мог бы соответствовать любой существующий СВЧ-усилитель - резонаторный магнетрон работали на одной частоте, определяемой физическими размерами их резонаторов, а клистрон усиливал внешний сигнал, но эффективно только в небольшом диапазоне частот.^[2]

Раньше подавление РЛС было сложной и трудоемкой операцией. Операторам приходилось прослушивать потенциальные используемые частоты, настраивать один из группы усилителей на этой частоте, а затем начинать вещание. Когда радиолокационная станция поймет, что происходит, они изменят свои частоты, и процесс начнется снова. В отличие от этого, карцинотрон мог так быстро перебирать все возможные частоты, что казался постоянным сигналом сразу на всех частотах. Типичные конструкции могут генерировать сотни или несколько тысяч ватт, поэтому на любой одной частоте радиолокационная станция может принимать несколько ватт мощности. Однако на большом расстоянии количество энергии исходной радиолокационной передачи, которая достигает самолета, составляет не более нескольких ватт, поэтому карцинотрон может их пересилить.^[2]

Система была настолько мощной, что было обнаружено, что работающий на самолете карцинотрон начинает действовать еще до того, как поднимется над уровнем моря. радарный горизонт. По мере того, как он проходил по частотам, он передавал рабочую частоту радара в фактически случайные моменты времени, заполняя дисплей случайными точками каждый раз, когда антенна была направлена ​​рядом с ним, возможно, на 3 градуса с каждой стороны от цели. Было так много точек, что на экране просто появился белый шум в этой области. Когда он приближался к станции, сигнал также начинал появляться в антенне. боковые лепестки, создавая дополнительные области, которые были затемнены шумом. На близком расстоянии, порядка 100 миль (160 км), весь радарный дисплей будет полностью заполнен шумом, что сделает его бесполезным.^[2]

Концепция была такой мощной, как глушилка что существуют серьезные опасения, что наземные радары устарели. У бортовых радаров было то преимущество, что они могли приблизиться к самолету, несущему глушитель, и, в конце концов, огромная мощность их передатчика «прожигала» глушилки. Однако перехватчики той эпохи полагались на направление земли попасть в зону действия с помощью наземных радаров. Это представляло огромную угрозу для операций противовоздушной обороны.^[4]

Для наземных радаров угроза в конечном итоге была устранена двумя способами. Во-первых, радары были модернизированы для работы на многих разных частотах и ​​случайного переключения между ними от импульса к импульсу, концепция, теперь известная как частотная гибкость. Некоторые из этих частот никогда не использовались в мирное время и строго засекречены в надежде, что они не будут известны глушителю в военное время. Карцинотрон все еще может проходить через весь диапазон, но тогда он будет вести радиовещание на той же частоте, что и радар, только в случайное время, что снижает его эффективность. Другое решение заключалось в добавлении пассивных приемников, которые триангулировали радиопередачи карцинотрона, позволяя наземным станциям выдавать точную информацию о местонахождении источника помех и позволяя атаковать их.^[4]

Замедляющая структура

(a) Прямая основная пространственная гармоника (n = 0), (b) Обратная основная гармоника

Необходимые замедляющие структуры должны поддерживать радиочастота (RF) электрическое поле с продольной составляющей; структуры являются периодическими в направлении луча и ведут себя как микроволновые фильтры с полосами пропускания и полосами задерживания. Из-за периодичности геометрии поля идентичны от ячейки к ячейке, за исключением постоянного фазового сдвига Φ. Этот фазовый сдвиг, чисто действительное число в полосе пропускания структуры без потерь, меняется с частотой. Согласно теореме Флоке (см. Теория Флоке ) ВЧ электрическое поле E (z, t) можно описать как угловая частота ω, суммой бесконечности "пространственных или пространственных гармоник" E_п

${ displaystyle E (z, t) = sum _ {n = - infty} ^ {+ infty} {E_ {n}} e ^ {j ({ omega} t- {k_ {n}} z )}}$

где волновое число или постоянная распространения k_п каждой гармоники выражается как

k_п = (Φ + 2nπ) / p (-π <Φ <+ π)

z - направление распространения, p - шаг цепи, а n - целое число.

Показаны два примера характеристик замедляющих цепей: ω-k или Бриллюэн диаграмма:

• на рисунке (а) основная гармоника n = 0 является прямой пространственной гармоникой ( фазовая скорость v_п= ω / k_п имеет тот же знак, что и групповая скорость v_грамм= dω / dk_п), условие синхронизма обратного взаимодействия находится в точке B, пересечение линии наклона v_е - скорость пучка - с первой обратной (n = -1) пространственной гармоникой,
• на рисунке (b) основная (n = 0) обратная

Периодическая структура может поддерживать как прямые, так и обратные пространственные гармоники, которые не являются модами поля, и не могут существовать независимо, даже если луч может быть связан только с одной из них.

Поскольку величина пространственных гармоник быстро уменьшается при большом значении n, взаимодействие может быть значительным только с основной или первой пространственной гармоникой.

ЛОВ типа М

Схема M-BWO

В Карцинотрон типа М, или же Генератор обратной волны М-типа, использует скрещенное статическое электрическое поле E и магнитное поле B, аналогично магнетрон, для фокусировки пучка электронного листа, дрейфующего перпендикулярно E и B, вдоль медленной волны, со скоростью E / B. Сильное взаимодействие происходит, когда фазовая скорость одной пространственной гармоники волны равна скорости электрона. Оба E_z и E_у компоненты ВЧ поля участвуют во взаимодействии (E_у параллельно статическому полю E). Электроны, находящиеся в замедляющемся E_z электрическое поле замедленной волны, теряют потенциальная энергия они находятся в статическом электрическом поле E и достигают цепи. Единственный электрод является более отрицательным, чем катод, чтобы избежать сбора тех электронов, которые набрали энергию при взаимодействии с медленной пространственной гармоникой.

BWO типа O

В Карцинотрон типа О, или же Генератор обратной волны O-типа, использует пучок электронов, продольно сфокусированный магнитным полем, и замедляющую цепь, взаимодействующую с пучком. Коллектор собирает луч на конце трубки.

Спектральная чистота и шум O-BWO

BWO - это генератор с перестраиваемым напряжением, скорость настройки которого напрямую связана с характеристиками распространения цепи. Колебания начинаются с частоты, при которой волна, распространяющаяся по контуру, синхронна с медленной волной пространственного заряда пучка. По сути, ЛОВ более чувствителен к внешним колебаниям, чем другие генераторы. Тем не менее, его способность синхронизироваться по фазе или частоте была продемонстрирована, что привело к успешной работе в качестве гетеродинного гетеродина.

Стабильность частоты

Частотно-вольтовая чувствительность определяется соотношением

${ displaystyle Delta}$f / f = 1/2 [1 / (1 + | v_Φ/ v_грамм|)] (${ displaystyle Delta}$V₀/ V₀)

Частота колебаний также чувствительна к току луча (так называемое «изменение частоты»). Колебания тока на низких частотах в основном связаны с подачей анодного напряжения, а чувствительность к анодному напряжению определяется выражением

${ displaystyle Delta}$f / f = 3/4 [ω_q/ ω / (1 + | v_Φ/ v_грамм|)] (${ displaystyle Delta}$V_а/ V_а)

Эта чувствительность по сравнению с чувствительностью катода по напряжению уменьшается на отношение ω_q/ ω, где ω_q - угловая плазменная частота; это соотношение порядка нескольких десятков⁻².

Шум

Измерения на ЛОВ субмиллиметрового диапазона (de Graauw et al., 1978) показали, что в этом диапазоне длин волн можно ожидать отношения сигнал / шум 120 дБ на МГц. При гетеродинном детектировании с использованием ЛОВ в качестве гетеродина эта цифра соответствует шумовая температура добавляется осциллятором всего 1000–3000 К.

Примечания

Рекомендации

• Джонсон, Х. Р. (1955). Генераторы обратной волны. Труды ИРЭ, 43 (6), 684–697.
• Рамо С., Виннери Дж. Р., Ван Дузер Т. - Поля и волны в коммуникационной электронике (3-е изд., 1994) John Wiley & Sons
• Канторович Г., Паллуэль П. - Осцилляторы обратной волны, в Инфракрасные и миллиметровые волны, Том 1, гл. 4, изд. К. Баттона, Academic Press, 1979 г.
• de Graauw Th., Anderegg M., Fitton B., Bonnefoy R., Gustincic J. J. - 3rd Int. Конф. Submm. Волны, Гилфордский университет Суррея (1978)
• Преобразовать Г., Йоу Т., в Миллиметровые и субмиллиметровые волны, гл. 4, (1964) Illife Books, Лондон

внешняя ссылка

• Виртуальный музей клапанов Томсон CSF CV6124