Geri dalga osilatörü - Backward-wave oscillator

Bu makale genel bir liste içerir Referanslar, ancak büyük ölçüde doğrulanmamış kalır çünkü yeterli karşılık gelmiyor satır içi alıntılar. Lütfen yardım edin geliştirmek bu makale tanıtım daha kesin alıntılar. (2011 Temmuz) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin)

Varian tarafından 1956'da üretilen minyatür O-tipi geri dalgalı osilatör tüpü. 8.2 - 12.4 GHz aralığında voltaj ayarlı olabilir ve 600 V'luk bir besleme voltajı gerektirir.

Terahertz aralığında faaliyet gösteren Stockholm Üniversitesi'nde geri dalga osilatörü

Bir geri dalga osilatörü (BWO), olarak da adlandırılır karsinotron (tarafından üretilen tüplerin ticari adı CSF şimdi Thales ) veya geri dalga tüpü, bir vakum tüpü üretmek için kullanılan mikrodalgalar kadar Terahertz Aralık. E ait hareketli dalga tüpü aile, bu bir osilatör geniş bir elektronik ayar aralığı ile.

Bir elektron silahı bir Elektron demeti yavaş dalga yapısıyla etkileşime giren. Sürdürür salınımlar kirişe karşı geriye doğru hareket eden bir dalga yayarak. Oluşturulan elektromanyetik dalga gücün var grup hızı elektronların hareket yönünün tersine yönlendirildi. Çıkış gücü, elektron tabancasının yakınına bağlanır.

İki ana alt türü vardır, M tipi (M-BWO), en güçlü ve O tipi (O-BWO). Çıktı güç O tipi tipik olarak 1 mW 1000 GHz ila 50 mW, 200 GHz. Karsinotronlar, güçlü ve kararlı mikrodalga kaynakları olarak kullanılır. Kaliteli olması nedeniyle dalga cephesi üretirler (aşağıya bakın), aydınlatıcı olarak kullanım bulurlar Terahertz görüntüleme.

Geri dalga osilatörleri 1951'de gösterildi, M tipi tarafından Bernard Epsztein^[1]ve O tipi tarafından Rudolf Kompfner. M tipi BWO, voltaj kontrollü, rezonant olmayan bir ekstrapolasyondur. magnetron etkileşim. Her iki tür de hızlanmayı değiştirerek geniş bir frekans aralığında ayarlanabilir Voltaj. Bir kerede tüm bandın üzerinden yayılacak gibi görünecek kadar hızlı bir şekilde bant boyunca süpürebilirler, bu da onları etkili kılar. radar karıştırması, hızlı bir şekilde radar frekansına uyum sağlar. Karsinotronlar, havadan gelen radar karıştırıcılarının oldukça etkili olmasına izin verdi. Ancak, frekans çevik radarlar frekansları karıştırıcıyı kullanmaya zorlayacak kadar hızlı atlayabilir baraj gürültüsü çıkış gücünü geniş bir bant üzerinde seyrelterek etkinliğini önemli ölçüde bozar.

Karsinotronlar, araştırma, sivil ve askeri uygulamalarda kullanılmaktadır. Örneğin, Çekoslovak Kopac pasif sensör ve Ramona pasif sensör hava savunma tespit sistemleri, alıcı sistemlerinde karsinotron kullandı.

Temel kavram

Konsept diyagramı. Sinyaller, görüntü içindeki metinde açıklandığı gibi girişten çıkışa gider.^[2]

Tüm hareketli dalga tüpleri aynı genel tarzda çalışır ve temel olarak yapılarının ayrıntılarında farklılık gösterir. Konsept, sabit bir akışa bağlıdır. elektronlar bir elektron silahı borunun merkezinden aşağı doğru hareket eden (bitişik bölüme bakın) konsept diyagramı). Elektron ışınını çevreleyen bir tür Radyo frekansı kaynak sinyali; geleneksel durumunda klistron bu, harici bir sinyalle beslenen bir rezonans boşluğudur, oysa daha modern cihazlarda bu boşluklardan bir dizi veya aynı sinyalle beslenen sarmal bir metal tel vardır.^[2]

Elektronlar tüpün içinden geçerken, RF sinyaliyle etkileşime girerler. Elektronlar, maksimum pozitif önyargıya sahip alanlara çekilir ve negatif alanlardan uzaklaştırılır. Bu, elektronların tüp uzunluğu boyunca itildiklerinde veya çekildikçe toplanmasına neden olur. hız modülasyonu. Bu işlem, elektron ışınının orijinal sinyalle aynı genel yapıyı almasını sağlar; ışındaki elektronların yoğunluğu, indüksiyon sistemindeki RF sinyalinin göreceli genliği ile eşleşir. Elektron akımı, tabancanın ayrıntılarının bir fonksiyonudur ve genellikle, giriş RF sinyalinden daha güçlü büyüklük dereceleridir. Sonuç, orijinal RF sinyalinin güçlendirilmiş bir versiyonu olan elektron demetindeki bir sinyaldir.^[2]

Elektronlar hareket ederken, yakındaki herhangi bir iletkende manyetik bir alan oluştururlar. Bu, artık yükseltilmiş sinyalin çıkarılmasına izin verir. Magnetron veya klystron gibi sistemlerde bu, başka bir rezonans boşluğu ile gerçekleştirilir. Sarmal tasarımlarda bu işlem, sarmal iletkendeki orijinal sinyali güçlendirerek tüpün tüm uzunluğu boyunca gerçekleşir. Geleneksel tasarımların "sorunu", nispeten dar bant genişliğine sahip olmalarıdır; Rezonatörlere dayalı tasarımlar, tasarımlarının% 10 veya% 20'si dahilinde sinyallerle çalışacaktır, çünkü bu fiziksel olarak rezonatör tasarımına yerleştirilmiştir ve sarmal tasarımlar çok daha geniş Bant genişliği, belki de tasarım zirvesinin her iki tarafında% 100.^[3]

BWO

BWO, sarmal TWT'ye benzer bir şekilde inşa edilmiştir. Bununla birlikte, elektron ışınıyla aynı (veya benzer) yönde yayılan RF sinyali yerine, orijinal sinyal ışına dik açılarda ilerler. Bu, normalde dikdörtgen bir dalga kılavuzundan bir delik açılarak ve ışını delikten geçirerek gerçekleştirilir. Dalga kılavuzu daha sonra iki dik açılı dönüşten geçer, bir C şekli oluşturur ve ışını tekrar geçer. Bu temel model, tüpün uzunluğu boyunca tekrarlanır, böylece dalga kılavuzu, bir dizi S-şekli oluşturarak ışın boyunca birkaç kez geçer.^[2]

Orijinal RF sinyali, enerjinin çıkarılacağı TWT'nin en uzak ucundan girer. Sinyalin geçen ışın üzerindeki etkisi aynı hız modülasyonu etkisine neden olur, ancak RF sinyalinin yönü ve dalga kılavuzunun özellikleri nedeniyle bu modülasyon, ışın boyunca ileriye değil geriye doğru gider. Bu yayılma, yavaş dalgaRF sinyalinin aynı fazında olduğu gibi katlanmış dalga kılavuzundaki bir sonraki deliğe ulaşır. Bu, geleneksel TWT gibi amplifikasyona neden olur.^[2]

İki sistemdeki fark, TWT'de sarmaldaki yayılma hızının ışındaki elektronların hızına benzer olması gerektiğidir. BWO'da durum böyle değil. Dalga kılavuzu, sinyalin bant genişliğine katı sınırlar koyar ve yayılma hızını yapısının temel bir işlevi olarak ayarlar, ancak elektron ışınına indüklenen sinyalin hızı, elektronların hızına bağlıdır. Bu, elektron tabancasının voltajını değiştirerek kolayca gerçekleştirilebilen elektronların hızının değiştirilmesiyle çıkış sinyalinin frekansının değiştirilebileceği anlamına gelir.^[2]

Karsinotron

Bu görüntü, karsinotron taşıyan dört uçağın 1950'lerin tipik bir nabız radarı üzerindeki etkisini göstermektedir. Uçaklar kabaca 4 ve 5:30 lokasyonlarında bulunmaktadır. Antenin ana lobu veya yan kanatları sinyal bozucuyu her geçtiğinde ekran gürültüyle dolar ve uçağı görünmez kılar.

Cihaza orijinal olarak "carcinotron" adı verildi çünkü kanser mevcut radar sistemleri. Cihaz, besleme voltajını basitçe değiştirerek, mevcut herhangi bir mikrodalga amplifikatörünün eşleşebileceğinden çok daha büyük olan bir bant boyunca gerekli herhangi bir frekansı üretebilir - boşluk magnetron rezonatörlerinin fiziksel boyutları tarafından tanımlanan tek bir frekansta çalıştı ve klistron harici bir sinyali güçlendirdi, ancak bunu yalnızca küçük bir frekans aralığında verimli bir şekilde yaptı.^[2]

Önceden, bir radarı karıştırmak karmaşık ve zaman alan bir işlemdi. Operatörlerin kullanılan potansiyel frekansları dinlemesi, bu frekansta bir amplifikatör grubu kurması ve ardından yayına başlaması gerekiyordu. Radar istasyonu ne olduğunu anladığında frekanslarını değiştirecek ve süreç yeniden başlayacaktı. Aksine, karsinotron tüm olası frekansları o kadar hızlı bir şekilde tarayabiliyordu ki, aynı anda tüm frekanslarda sabit bir sinyal gibi görünüyordu. Tipik tasarımlar yüzlerce veya düşük binlerce watt üretebilir, bu nedenle herhangi bir frekansta, radar istasyonu tarafından alınan birkaç watt güç olabilir. Bununla birlikte, uzun menzilde, orijinal radar yayınından uçağa ulaşan enerji miktarı en fazla birkaç watt'tır, bu nedenle karsinotron onları alt edebilir.^[2]

Sistem o kadar güçlüydü ki, bir uçakta çalışan bir karsinotronun, uçağın üzerine çıkmadan bile etkili olmaya başlayacağı bulundu. radar ufku. Frekanslar arasında gezinirken, radarın çalışma frekansı üzerinde etkin bir şekilde rastgele zamanlarda yayınlayacak, antenin yanına yaklaştığı her an, belki de hedefin her iki yanında 3 derece, ekranı rastgele noktalarla dolduracaktı. O kadar çok nokta vardı ki, ekran o bölgede basitçe beyaz gürültüyle doluydu. İstasyona yaklaştığında, sinyal ayrıca antenin içinde görünmeye başlayacaktı. sidelobes gürültüyle karartılan daha fazla alan yaratır. Yakın mesafeden, 100 mil (160 km) düzeninde, tüm radar ekranı tamamen gürültüyle dolacak ve onu işe yaramaz hale getirecekti.^[2]

Konsept çok güçlüydü bozucu Yer tabanlı radarların modasının geçtiğine dair ciddi endişeler vardı. Havadan gelen radarlar, sinyal bozucuyu taşıyan uçağa yaklaşma avantajına sahipti ve en sonunda vericilerinden gelen büyük çıktı, sıkışmayı "yanarak geçecekti". Ancak, dönemin önleyicileri güvendiler yer yönü Yer tabanlı radarları kullanarak menzile girmek için. Bu, hava savunma operasyonları için çok büyük bir tehdit oluşturuyordu.^[4]

Yer radarları için, tehdit sonunda iki şekilde çözüldü. Birincisi, radarların birçok farklı frekansta çalışacak ve aralarında rastgele geçiş yapacak şekilde yükseltilmiş olmasıydı. frekans çevikliği. Bu frekanslardan bazıları hiçbir zaman barış zamanında kullanılmamış ve savaş zamanında sinyal bozucu tarafından bilinmemesi umuduyla son derece gizli kalmıştı. Karsinotron hala tüm bandı tarayabilir, ancak o zaman radarla aynı frekansta yalnızca rastgele zamanlarda yayın yaparak etkinliğini azaltır. Diğer çözüm, karsinotron yayınlarında üçgenlenen pasif alıcılar eklemek ve yer istasyonlarının sinyal bozucunun konumu hakkında doğru izleme bilgileri üretmesine ve onlara saldırılmasına izin vermekti.^[4]

Yavaş dalga yapısı

(a) İleri temel uzay harmoniği (n = 0), (b) Geriye doğru temel

Gerekli yavaş dalga yapıları, bir Radyo frekansı (RF) boylamsal bileşeni olan elektrik alanı; yapılar kiriş yönünde periyodiktir ve geçiş bantları ve durdurma bantları olan mikrodalga filtreleri gibi davranır. Geometrinin periyodikliğinden dolayı alanlar, sabit bir faz kayması dışında hücreden hücreye özdeştir Φ. Kayıpsız bir yapının geçiş bandındaki tamamen gerçek bir sayı olan bu faz kayması, frekansla değişir. Floquet teoremine göre (bkz. Floquet teorisi ), RF elektrik alanı E (z, t) bir açısal frekans ω, sonsuz "uzamsal veya uzay harmonikleri" toplamının E_n

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

nerede dalga sayısı veya yayılma sabiti k_n Her bir harmoniğin oranı olarak ifade edilir

k_n = (Φ + 2nπ) / p (-π <Φ <+ π)

z yayılma yönü, p devrenin aralığı ve n bir tamsayı.

İki yavaş dalga devre özelliği örneği-k veya Brillouin diyagram:

• şekil (a) 'da, temel n = 0 ileri uzay harmoniğidir ( faz hızı v_n= ω / k_n ile aynı işarete sahip grup hızı v_g= dω / dk_n), geriye doğru etkileşim için senkronizasyon koşulu, B noktasındadır, v eğim çizgisinin kesişimi_e - ışın hızı - ilk geriye doğru (n = -1) uzay harmoniği ile,
• şekil (b) 'de temel (n = 0) geriye doğru

Periyodik bir yapı, alan modları olmayan hem ileri hem de geri uzay harmoniklerini destekleyebilir ve bir ışın yalnızca birine bağlanabilse bile bağımsız olarak var olamaz.

Uzay harmoniklerinin büyüklüğü n'nin değeri büyük olduğunda hızla azaldığından, etkileşim yalnızca temel veya ilk uzay harmoniği ile anlamlı olabilir.

M tipi BWO

Bir M-BWO'nun Şeması

M tipi karsinotronveya M tipi geri dalga osilatörü, çapraz statik elektrik alanı E kullanır ve manyetik alan B, benzer magnetron, E / B hızıyla bir yavaş dalga devresi boyunca E ve B'ye dik olarak sürüklenen bir elektron levha ışınına odaklanmak için. Güçlü etkileşim, faz hızı dalganın bir uzay harmoniği elektron hızına eşittir. İkisi de E_z ve E_y RF alanının bileşenleri etkileşimde yer alır (E_y statik E alanına paralel). Yavaşlayan bir E içindeki elektronlar_z yavaş dalganın elektrik alanı, potansiyel enerji Statik elektrik alanı E içindedirler ve devreye ulaşırlar. Yavaş dalga uzay harmoniği ile etkileşime girerken enerji kazanmış elektronların toplanmasını önlemek için tek elektrot katottan daha negatiftir.

O tipi BWO

O tipi karsinotronveya O tipi geri dalga osilatörü, manyetik alan tarafından uzunlamasına odaklanmış bir elektron ışını ve ışınla etkileşime giren bir yavaş dalga devresi kullanır. Bir toplayıcı, kirişi tüpün ucunda toplar.

O-BWO spektral saflık ve gürültü

BWO, voltaj ayarlama hızı doğrudan devrenin yayılma özellikleriyle ilişkili olan voltaj ayarlı bir osilatördür. Salınım, devre üzerinde yayılan dalganın ışının yavaş uzay yük dalgası ile senkronize olduğu bir frekansta başlar. Doğası gereği BWO, diğer osilatörlerden harici dalgalanmalara karşı daha hassastır. Bununla birlikte, faz veya frekans kilitli olma kabiliyeti gösterilmiş ve bu da heterodin bir yerel osilatör olarak başarılı bir şekilde çalışmasına yol açmıştır.

Frekans Kararlılığı

Frekans-voltaj hassasiyeti, ilişki ile verilir

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

Salınım frekansı da ışın akımına duyarlıdır ("frekans itme" olarak adlandırılır). Düşük frekanslardaki akım dalgalanmaları esas olarak anot voltaj beslemesinden kaynaklanır ve anot voltajına duyarlılık şu şekilde verilir:

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

Katot voltaj hassasiyetine kıyasla bu hassasiyet, compared oranı ile azaltılır._q/ ω, nerede ω_q açısal plazma frekansıdır; bu oran birkaç kere 10 mertebesindedir⁻².

gürültü, ses

Milimetre altı dalga BWO'ları (de Graauw ve diğerleri, 1978) üzerindeki ölçümler, bu dalga boyu aralığında MHz başına 120 dB'lik bir sinyal-gürültü oranının beklenebileceğini göstermiştir. Yerel bir osilatör olarak bir BWO kullanan heterodin algılamada, bu rakam bir gürültü sıcaklığı sadece 1000–3000 K osilatör tarafından eklenir.

Notlar

Referanslar

• Johnson, H.R. (1955). Geri dalgalı osilatörler. IRE Bildirileri, 43 (6), 684–697.
• Ramo S., Whinnery J.R., Van Düzer T. - İletişim Elektroniğinde Alanlar ve Dalgalar (3. baskı, 1994) John Wiley & Sons
• Kantorowicz G., Palluel P. - Geri Dalga Osilatörleri, içinde Kızılötesi ve Milimetre Dalgaları, Cilt 1, Böl. 4, K. Button ed., Academic Press 1979
• de Graauw Th., Anderegg M., Fitton B., Bonnefoy R., Gustincic J. J. - 3rd Int. Conf. Submm. Dalgalar, Guilford Surrey Üniversitesi (1978)
• Dönüştür G., Yeou T., içinde Milimetre ve Milimetre-altı Dalgaları, Böl. 4, (1964) Illife Books, Londra

Dış bağlantılar

• Sanal Vana Müzesi Thomson CSF CV6124