Lopende-golfbuis
Wat is een lopende-golfbuis?
Figuur 1: Basisstructuur van een lopende-golfbuis: ① elektronenkanon; ② focusmagneet; ③ vertragingslijn (hier een helix); ④ collector;
Figuur 1: Basisstructuur van een lopende-golfbuis: ① elektronenkanon; ② focusmagneet; ③ vertragingslijn (hier een helix); ④ collector;
Figuur 1: Basisstructuur van een lopende-golfbuis: ① elektronenkanon; ② focusmagneet; ③ vertragingslijn (hier een helix); ④ collector; (interactief beeld)
Lopende-golfbuis
Lopende-golfbuizen (Engels: Traveling Wave Tube, afgekort tot TWT, uitgesproken als „twit“) zijn vacuümbuizen die gebruikt worden als ruisarme, breedbandige versterkers met een hoge versterking. Een lopende-golfbuis kan versterkingsfactoren van 40 tot 70 dB halen over een bandbreedte van meer dan twee octaven[1]. Er zijn lopende-golfbuizen gebouwd voor frequenties van 300 MHz tot 100 gigahertz[1]. Het haalbare uitgangsvermogen varieert van een paar watt tot meer dan 10 MW. Een lopende-golfbuis is eigenlijk een spanningsversterker. Samen met klystrons vormen ze de groep lineaire bundelbuizen binnen de tijdvertragingsbuizen. Er zijn twee basistypes van lopende-golfbuizen:
- Lopende-golfbuizen met spiraalgeleiding (helix)
zijn zeer gevoelige, breedbandige en ruisarme versterkers voor radar en meetapparatuur; - Lopende-golfbuizen met een vertragingslijn bestaande uit gekoppelde resonatoren (Coupled-Cavity)
worden gebruikt als vermogensversterkers of als voorversterkers voor hoogvermogenzenders met amplitrons (CFA). Ze hebben een aanzienlijk hoger uitgangsvermogen, maar een lagere bandbreedte (10 … 20%).
Beide typegroepen hebben dezelfde functionele principes en bevatten dezelfde hoofdassemblages zoals getoond in Figuur 1. Ze verschillen echter aanzienlijk in de structuur van de vertragingslijn. De hoge bandbreedte en de lage inherente ruis maken de lopende-golfbuis tot een ideale versterker in het microgolfgebied. Vanwege de lage ruis worden ze vaak gebruikt in radarontvangers, radarzenders en bij satellietcommunicatie.
Fundamentele structuur van een lopende-golfbuis
De basisstructuur van een lopende-golfbuis is weergegeven in figuur 1. De lopende-golfbuis bestaat uit vier onderdelen:
- Elektronenkanon, dat een elektronenbundel creëert en deze versnelt in de richting van de lengteas van de buis;
- Magnetisch focusseerapparaat die een magnetisch geleidingsveld genereert langs de as van de elektronenbundel en deze focuseert tot een smalle bundel;
- Vertragingslijn als een interactiekring, bijvoorbeeld een draadhelix, die een lijn met lage impedantie vormt binnen de buis voor de hoge frequentie;
- Collector De elektronenbundel wordt afgeremd en afgebogen in de collector nadat deze door de vertragingslijn is gegaan.
Al deze onderdelen van de lopende-golfbuis bevinden zich in een glazen of keramische behuizing waarin een hoog vacuüm heerst. De in- en uitgangen kunnen worden geleid via coaxiale kabels of via golfgeleiderverbindingen. Het is ook mogelijk om galvanische scheiding aan te brengen via richtingskoppelaars.
Figuur 2: Varianten van het magnetische focusseerapparaat: a) Elektromagneet; b) Permanente magneet; c) Periodieke permanente magneten
Figuur 2: Varianten van het magnetische focusseerapparaat: a) Elektromagneet; b) Permanente magneet; c) Periodieke permanente magneten
Elektronenkanon
Het elektronenkanon is op dezelfde manier opgebouwd als alle kathodestraalbuizen. Het bestaat uit een kathode, meestal indirect verwarmd, die met een verwarmingsspiraal moet worden verwarmd tot een temperatuur tussen 850° en 1 100° Celsius om voldoende elektronen uit te zenden. Rond de kathode is een onverwarmde plaat bevestigd die ofwel kathodepotentiaal heeft of een iets negatievere spanning krijgt dan de kathode. Dit dwingt de elektronen in de richting van de anode. Eén of meer anoden versnellen de elektronen tot een bruikbare snelheid. De elektronen kunnen de anode passeren door een gat of een rooster en als een elektronenbundel door de vertragingslijn reizen.
Het elektronenkanon is afgeschermd om het te beschermen tegen de resulterende ioniserende straling.
Magnetisch focusseerapparaat
De magnetische focusseerinrichting die de elektronenbundel en de vertragingslijn omgeeft, bundelt de elektronen tot een zeer dunne bundel. Deze magneet kan een permanente magneet of een elektromagneet zijn (zie Figuur 2a). De permanente magneet heeft het voordeel dat deze geen stroomvoorziening nodig heeft en altijd beschikbaar is. Het nadeel is dat de magnetische flux niet kan worden geregeld om de prestaties van de lopende-golfbuis te optimaliseren.
Als de noodzakelijkerwijs vrij grote enkele magneet (zie Figuur 2b) wordt vervangen door meerdere kleinere magneten, kan de grootte en het totale gewicht van de lopende-golfbuisversterker sterk worden gereduceerd (zie Figuur 2c).
Tussen de magneet en de buis bevindt zich een aluminium behuizing voor afscherming. Ferromagnetisch materiaal kan niet worden gebruikt omdat dit het magnetische veld beïnvloedt. Externe storende magnetische velden kunnen de uniformiteit van het interne magnetische veld beïnvloeden en zelfs de lopende-golfbuis onbruikbaar maken. Daarom worden lopende-golfbuizen geleverd in overgedimensioneerde verpakkingen om voldoende afstand tot deze storende velden te garanderen.
signaal
dempingslaag
geïnduceerd
in de helix
van de elektronen
Figuur 3: Versterking van het HF-signaal in de helix
signaal
dempingslaag
geïnduceerd
in de helix
van de elektronen
Figuur 3: Versterking van het HF-signaal in de helix
Vertragingslijn
De elektronen in de elektronenbundel bewegen veel langzamer dan de lichtsnelheid. Afhankelijk van de anodespanning, die tussen 4 en 120 kV kan liggen, is de snelheid van de elektronen 10 tot 50% van de lichtsnelheid. In een lijn is de voortplantingssnelheid van een elektromagnetische golf 66 tot 80% van de lichtsnelheid. De vertragingslijn moet er dus voor zorgen dat de hoge frequentie die erin reist, wordt teruggebracht tot de snelheid van de elektronen. Dit wordt altijd gedaan met behulp van omleidingslijnen. Deze kunnen gebogen zijn als een helix of in een zigzagpatroon lopen.
Collector
De collector is ook een elektrode van de lopende-golfbuis. Hij staat meestal op aardpotentiaal, terwijl de kathode een extreem hoge negatieve spanning krijgt. Hij fungeert daarom ook als anode. Als er geen ingangsspanning op de lopende-golfbuis wordt gezet, moet de collector de volledige energie van de elektronenbundel kunnen absorberen. Voor lopende-golfbuizen met een hoger uitgangsvermogen moet de collector daarom geforceerd gekoeld worden. Dit kan met luchtstroom of vloeistofkoeling. In lopende-golfbuizen die in de ruimte worden gebruikt, gebeurt dit met stralingskoeling. In lopende-golfbuizen met hoge prestaties heeft de collector een meertrapsstructuur, zoals getoond in figuur 1.
Figuur 4: Snelheidsmodulatie van de elektronen en daaropvolgende pakketvorming
Figuur 4: Snelheidsmodulatie van de elektronen en daaropvolgende pakketvorming
Principe van de werking
Een hoogfrequente ingangsspanning genereert een extra elektrisch veld, dat wordt vertraagd door de vertragingslijn, zodat het dezelfde voortplantingssnelheid heeft als de elektronenbundel en daardoor langer op bepaalde elektronen kan inwerken. In de positieve halve golf van de oscillatie worden de elektronen extra versneld, terwijl ze in de negatieve halve golf worden afgeremd. Dit proces wordt snelheidsmodulatie genoemd in buizen met tijdvertraging. Nu worden langzamere elektronen ingehaald door snellere elektronen. Dit resulteert in een pakketvorming van elektronen (zie figuur 4).
Hierdoor verliest de elektromagnetische golf echter energie aan de elektronen. Bovendien werkt een dempingslaag zodat de energie van de golf tot bijna nul wordt gereduceerd. Deze dempingslaag voorkomt ook terugkoppeling, wat zou leiden tot zelfexcitatie.
Figuur 5: Verplaatsing van elektronen in de draden van de helix
De elektronen in de elektronenbundel zijn echter nog steeds aan het bundelen. De snelheid van de elektronen is nog steeds verschillend, zodat de pakketvorming wordt versterkt. Deze bundelvorming is actief over de gehele lengte van de elektronenbundel en de elektronenbundels zijn het grootst aan het einde van de helix. Nu dragen de elektronenbundels energie over aan de vertragingslijn. Ze verplaatsen de elektronen in de draden van de gloeidraad zodat daar weer een oscillatie optreedt. Deze oscillatie wordt nu voortdurend versterkt en de amplitude van de HF-spanning stijgt tot ver boven de beginwaarde.
De oscillatie in de vertragingslijn wordt opgewekt met een faseverschuiving van -90° ten opzichte van het ingangssignaal. De elektronen in de elektronenbundel worden afgeremd door de energieoverdracht naar de oscillatie. In sommige lopende-golfbuizen is de gloeidraad daarom iets smaller aan het einde van de buis dan aan de ingang, zodat deze lagere snelheid wordt gecompenseerd.
Elektrische eigenschappen
Figuur 6: Karakteristiek van een lopende-golfbuis
Figuur 6: Karakteristiek van een lopende-golfbuis
Vermogensversterking
In de lopende-golfbuis is er eigenlijk alleen een spanningsversterking. Omdat de impedantie van de lijn constant is, resulteert een hogere spanning in een hogere stroom en beide samen in een hoger vermogen. De haalbare vermogensversterking hangt voornamelijk af van de volgende factoren:
- Constructief ontwerp (bijv. helixlengte)
- Diameter van de elektronenbundel (instelbaar door de fluxdichtheid B van het focusserende magneetveld)
- ingangsvermogen (zie Figuur 6)
- Helixspanning UA2
Figuur 6 toont een lineair bereik voor een laag ingangsvermogen en dus een constante vermogensversterking van ongeveer 26 dB. Als het ingangsvermogen wordt verhoogd, neemt het uitgangsvermogen niet verder toe, d.w.z. dat de versterkingsfactor afneemt. Er treedt een begrenzingseffect op, zodat wordt voorkomen dat de volgende trap (bijv. mengtrap) wordt overbelast bij zeer sterke ingangssignalen.
Bandbreedte
Omdat het versterkingseffect in de lopende-golfbuis wordt bereikt door interactie tussen de elektronenbundel en de lopende golf op een vertragingslijn, is het frequentiegedrag van de gloeidraad primair verantwoordelijk voor de haalbare bandbreedte. Een frequentieonafhankelijke veldverdeling op een lijn wordt alleen bereikt als deze lijn op een aangepaste manier wordt gebruikt. Deze aanpassing kan slechts over een beperkte frequentieband worden gehandhaafd, maar in het geval van een helix gaat het nog steeds om waarden tot een orde van grootte van meer dan twee octaven. Als deze lijn echter resonante componenten bevat, dan hangt de bandbreedte af van hun frequentierespons. In lopende-golfbuizen met een vertragingslijn die bestaat uit gekoppelde resonatoren (Coupled-Cavity) is de bandbreedte daarom slechts 10 … 20% van de middenfrequentie.
Ruisgetal
Als de lopende-golfbuis wordt gebruikt als ruisarme RF-voorversterker in een radarontvanger, is het ruisgetal de belangrijkste parameter. Deze parameter bepaalt in wezen de gevoeligheid van de ontvanger en dus het maximale bereik van de radar. Het ruisgetal voor de lopende-golfbuizen die momenteel in gebruik zijn, ligt tussen 3 en 10 dB. Er zijn drie onvermijdelijke redenen voor de inherente ruis van een lopende-golfbuis:
- Shot-ruis (Poisson-ruis) als gevolg van de willekeurige aard van elektronenemissie uit de kathode;
- Stroomverspreidingseffectdoor de verschillende snelheid waarmee de elektronen de kathode verlaten;
- Johnson-Nyquist ruis ontstaat door de thermische beweging van de elektronen.
De grootte van het ruisgetal is direct gerelateerd aan de meeste voedingsspanningen van de lopende-golfbuis. Als bijvoorbeeld de spanningen bij de elektroden slechts 5% afwijken van de optimale waarde, zal het ruisgetal bijna verdubbelen.
Verschillende structuren van de vertragingslijn
De hier beschreven vertragingslijn bestaande uit een draadhelix kan worden vervangen door andere structuren. Zogenaamde ring-bar en ring-loop structuren en coupled-cavity vertragingslijnen, die bestaan uit gekoppelde holteresonatoren, zijn ook beschikbaar. De keuze van de vertragingslijnstructuur heeft een significante invloed op de haalbare parameters zoals versterkingsfactor, uitgangsvermogen en bandbreedte.
Vertragingslijn bestaande uit in tegengestelde richting gewikkelde helixen
Een tussenstap in de ontwikkeling van de ringleiding- en ringstaafstructuur is de vertragingslijn bestaande uit tegengesteld gewikkelde helixen (zie Figuur 7). Beide helixen moeten dezelfde afmetingen hebben. Waar de twee helixen elkaar kruisen, maken ze contact met elkaar. Dit type vertragingslijn is minder gevoelig voor achterwaartse golven en maakt daarom hogere spanningen en stromen en dus hogere uitgangsvermogens mogelijk. Het nadeel is dat ze een lagere bandbreedte hebben dan eenvoudige helixen.
Ringvormige vertragingslijn
Figuur 8: Ringvormige vertragingslijn
Een ringvormige (Ring-Loop) vertragingslijn maakt gebruik van concentrische ringen die door lussen met elkaar verbonden zijn. Vergeleken met conventionele lopende-golfbuizen kunnen deze apparaten een hoger vermogen leveren, maar ze hebben een veel smallere bandbreedte van slechts 5 tot 15% van de middenfrequentie en hebben ook een lagere afsnijfrequentie van ongeveer 18 GHz vanwege de transversale capaciteit van de ringoppervlakken.
Speciale eigenschappen onder bedrijfsomstandigheden zijn de hoge koppelimpedantie en een lagere gevoeligheid voor harmonische opwekking. Lopende-golfbuizen met een ring-lus vertragingslijn kunnen een zeer hoge versterkingsfactor bereiken (40 … 60 dB). Ze zijn mechanisch iets kleiner en laten een hogere werkspanning toe met een lager risico op zelfexcitatie door achterwaartse golven.
Figuur 9: Ring-bar vertragingslijn
Ring-bar vertragingslijn
De ring-bar vertragingslijn is ontwikkeld uit de vertragingslijn met tegengesteld gewikkelde spoelen. Hij is heel eenvoudig te maken door een dunne koperen buis te bewerken met nauwkeurig lasersnijden.
Figuur 10: Gekoppelde-holte vertragingslijn
Coupled-Cavity Vertragingslijn
Het maken van een vertragingslijn met holteresonatoren kan worden voorgesteld als een meander-vormige gevouwen golfgeleider met een membraan in elke vouw voor matching. Het is dus eigenlijk een omleidingslijn om de voortplantingssnelheden aan te passen.
De lopende-golfbuis met gekoppelde holtes gebruikt afgestemde holteresonatoren als vertragingslijn waar de elektronenstroom doorheen stroomt en die afwisselende gleuven hebben, wat resulteert in een gekoppelde lijn. Het RF-pad (blauw in het diagram) zigzagt door de koppelingssleuven in de resonatoren en kruist zo voortdurend de elektronstroom (rood in het diagram).
Door de hoge kwaliteit van de individuele resonatoren heeft de lopende-golfbuis met gekoppelde holtes een betere bovengrensfrequentie met een aanzienlijke toename in vermogen, maar ook slechts een zeer smalle bandbreedte door de frequentieafhankelijke resonatoren. Lopendede-golfbuizen met gekoppelde holtes bereiken meer dan 100 kW pulsvermogen bij ongeveer 25 kW continu golfvermogen.
Fotogalerij van lopende-golfbuizen
Figuur 12: Russische lopende-golfbuis van laag vermogen UV-1B (kyr.: УВ-1Б) gebruikt in de P-37 „Bar Lock“ . (De afmetingen in de vergroting zijn gegeven voor 20 beurten).
Bron:
- Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (cursus begeleidend trainingsmateriaal), maart 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2