۵.۰ ماژول ۵: دستگاه‌های مایکروویو فعال: لامپ‌های خلاء
۵.۱ اصول لامپ‌های مایکروویو
با وجود رواج فناوری حالت جامد، لامپ‌های خلاء مایکروویو همچنان ضروری هستند، به خصوص در کاربردهایی که به سطوح توان بسیار بالا نیاز دارند و دستگاه‌های نیمه‌هادی هنوز نمی‌توانند با آنها رقابت کنند. سیستم‌هایی مانند رادارهای پرقدرت، آپ‌لینک‌های ارتباطات ماهواره‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات برای تولید و تقویت سیگنال‌ها در محدوده کیلووات تا مگاوات به قابلیت‌های منحصر به فرد لامپ‌های مایکروویو متکی هستند. این ماژول اصول عملکرد سه دسته اصلی از این دستگاه‌ها را بررسی خواهد کرد: کلایسترون، لامپ موج سیار و مگنترون.
تقویت‌کننده کلایسترون دو حفره‌ای
کلایسترون یک لامپ پرتو خطی است که به عنوان یک تقویت‌کننده مایکروویو عمل می‌کند. عملکرد آن بر اساس تبدیل انرژی جنبشی یک پرتو الکترونی پیوسته به انرژی مایکروویو است.
- عناصر ضروری: یک کلایسترون دو حفره‌ای از یک تفنگ الکترونی که یک پرتو الکترونی با سرعت بالا تولید می‌کند، دو تشدیدگرهای حفره‌ای (به نام‌های «خوشه‌ساز» و «گیرنده»)، یک ماشین بدون مزرعه فضای رانش بین حفره‌ها، و یک جمع کننده تا انرژی باقی مانده پرتو به صورت گرما تلف شود.
- رزوناتور حفره‌ای: برای درک کلیسترون، ابتدا باید رزوناتور حفره‌ای را درک کرد. یک حفره را می‌توان به عنوان تکامل یک مدار رزونانس LC ساده تصور کرد. یک مدار LC موازی وقتی L و C کوچک باشند، فرکانس رزونانس بالایی دارد. برای افزایش بیشتر این فرکانس، می‌توان با قرار دادن چندین حلقه القایی به صورت موازی، اندوکتانس را کاهش داد. نتیجه منطقی این فرآیند، یک جعبه فلزی بسته یا حفره است که می‌تواند میدان‌های الکترومغناطیسی رزونانس را در فرکانس‌های مایکروویو بسیار بالا پشتیبانی کند. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در داخل حفره محصور می‌شوند و امکان ذخیره انرژی کارآمد را فراهم می‌کنند.
- اصل کار: فرآیند تقویت در سه مرحله مجزا رخ می‌دهد:
- مدولاسیون سرعت: پرتو الکترونی پیوسته تولید شده توسط تفنگ ابتدا از حفره بانچر عبور می‌کند. یک سیگنال RF ورودی ضعیف به این حفره وارد می‌شود و یک میدان الکتریکی نوسانی در سراسر شکاف آن ایجاد می‌کند. با عبور الکترون‌ها، این میدان به طور متناوب آنها را شتاب داده و کاهش می‌دهد. الکترون‌ها با سرعت‌های کمی متفاوت از حفره بانچر خارج می‌شوند - فرآیندی که ... مدولاسیون سرعت.
- خوشه‌بندی الکترونی: الکترون‌های مدوله‌شده با سرعت سپس وارد فضای رانش بدون میدان می‌شوند. در اینجا، الکترون‌های سریع‌تر از فاز شتاب‌گیری چرخه RF شروع به رسیدن به الکترون‌های کندتر از فاز کاهش سرعت می‌کنند. این باعث می‌شود که پرتو یکنواخت اولیه، بسته‌های متراکم یا دسته از الکترون‌ها.
- استخراج انرژی: طول فضای رانش به گونه‌ای طراحی شده است که این دسته‌های الکترونی دقیقاً در لحظه‌ای که میدان در آن حفره در حداکثر فاز کندشوندگی خود قرار دارد، به شکاف حفره دوم (گیرنده) برسند. بنابراین دسته‌ها به شدت کند می‌شوند و انرژی جنبشی خود را به میدان الکترومغناطیسی حفره گیرنده منتقل می‌کنند. این امر یک نوسان قدرتمند را تحریک می‌کند که از آن یک سیگنال خروجی بسیار تقویت‌شده استخراج می‌شود.
برای دستیابی به بهره بالاتر، از کلیسترون‌های چند حفره‌ای استفاده می‌شود که در آنها حفره‌های میانی بین خوشه‌ساز و گیرنده قرار می‌گیرند تا فرآیند خوشه‌سازی را بیشتر بهبود بخشند و در نتیجه تقویت به طور قابل توجهی بیشتر شود.
این دستگاه به عنوان یک تقویت‌کننده عمل می‌کند. اکنون به بررسی نوعی از آن، یعنی رفلکس کلیسترون، می‌پردازیم که به طور خاص برای عملکرد به عنوان یک نوسان‌ساز طراحی شده است.
۵.۲ نوسانگرهای مایکروویو: کلایسترون رفلکس و مگنترون
در حالی که تقویت‌کننده‌هایی مانند کلیسترون دو حفره‌ای، توان سیگنال موجود را افزایش می‌دهند، نوسان‌سازها دستگاه‌هایی هستند که برای تولید سیگنال مایکروویو از منبع تغذیه DC طراحی شده‌اند. آنها اجزای اساسی در فرستنده‌ها، تجهیزات تست و نوسان‌سازهای محلی گیرنده هستند. در این بخش دو نوسان‌ساز مایکروویو کلیدی بررسی خواهد شد: کلیسترون رفلکس، یک منبع قابل تنظیم کم‌توان، و مگنترون، یک دستگاه پرتوان که در رادار و اجاق‌های مایکروویو استفاده می‌شود.
رفلکس کلایسترون
رفلکس کلایسترون یک نوسان‌ساز مایکروویو تک حفره‌ای است. نوآوری کلیدی آن استفاده از یک حفره واحد برای انجام وظایف هر دو دسته‌کننده و گیرنده است که آن را به دستگاهی فشرده‌تر و قابل تنظیم‌تر تبدیل می‌کند.
- ساخت و ساز: این دستگاه دارای یک تفنگ الکترونی، یک حفره آندی تکی با یک شکاف و ... الکترود دافع فراتر از حفره قرار داده شده است. دافعه در پتانسیل منفی بالایی نسبت به کاتد نگه داشته می‌شود.
- عملیات: پرتو الکترونی از طریق شکاف حفره آند شتاب می‌گیرد و تحت مدولاسیون سرعت اولیه قرار می‌گیرد. پس از عبور از شکاف، پرتو به سمت الکترود دافع منفی حرکت می‌کند. میدان منفی قوی، الکترون‌ها را کند، متوقف می‌کند و سپس آنها را به سمت حفره آند شتاب می‌دهد. فرآیند دسته بندی در طول این سفر "بازتاب" رخ می‌دهد. یک الکترون مرجع (e_r) زمانی عبور می‌کند که میدان RF صفر باشد. یک الکترون اولیه (e_e) کند می‌شود و زمان بیشتری را در فضای دافع سپری می‌کند. یک الکترون دیررس (e_l) شتاب می‌گیرد و زمان کمتری را سپری می‌کند. ولتاژ دافع طوری تنظیم می‌شود که هر سه الکترون دقیقاً همزمان به شکاف حفره برمی‌گردند و یک دسته متراکم تشکیل می‌دهند. اگر این دسته زمانی برسد که میدان حفره در حداکثر حالت کندکننده باشد، انرژی خود را به حفره می‌دهد و نوسانات را حفظ می‌کند.
- شرایط نوسان: زمان عبور (T) برای الکترون‌ها در فضای دافعه باید برای نوسانات پایدار بهینه شود. این شرط به صورت زیر بیان می‌شود: T = n + \frac{3}{4} که در آن 'n' یک عدد صحیح است.
- برنامه های کاربردی: به دلیل قابلیت تنظیم و توان خروجی کم، کلایسترون‌های رفلکس معمولاً به عنوان نوسان‌سازهای محلی در گیرنده‌های مایکروویو و به عنوان منابع سیگنال در تجهیزات تست مایکروویو استفاده می‌شوند.
مگنترون حفره‌ای
مگنترون حفره‌ای یک نوسان‌ساز مایکروویو پرقدرت و نوعی لامپ میدان متقاطع است ، به این معنی که میدان الکتریکی ساکن (E) و میدان مغناطیسی ساکن (B) بر یکدیگر عمود هستند.
- ساختار فیزیکی: از یک استوانه مرکزی با قطر بزرگ تشکیل شده است کاتد احاطه شده توسط یک دایره بلوک آندآند با چندین حفره رزونانسی که به فضای برهمکنش مرکزی باز می‌شوند، ماشینکاری شده است. یک میدان مغناطیسی قوی و ثابت موازی با محور کاتد اعمال می‌شود.
- عملیات تحت فیلدهای استاتیک: با یک میدان الکتریکی شعاعی از آند به کاتد، یک میدان مغناطیسی محوری اعمال می‌شود. برای B=0، الکترون‌ها مستقیماً به سمت آند حرکت می‌کنند. با افزایش B، مسیر آنها منحنی می‌شود. در میدان مغناطیسی بحرانی (B_c)، آنها فقط آند را خراش می‌دهند. اگر B > B_c باشد، آنها به کاتد برمی‌گردند و باعث "گرمایش معکوس" می‌شوند.
- عملکرد با میدان RF فعال: وقتی نوسانات RF در حفره‌ها وجود داشته باشد، وضعیت پویا می‌شود. الکترون‌های «مورد علاقه» توسط میدان RF کند می‌شوند، انرژی جنبشی خود را برای حفظ نوسانات از دست می‌دهند و به سمت آند حرکت می‌کنند. الکترون‌های «نامطلوب» توسط میدان شتاب می‌گیرند، از آن انرژی می‌گیرند و به سرعت به کاتد بازگردانده می‌شوند. این برهمکنش منجر به ... می‌شود. «اثر تمرکز فاز» جایی که الکترون‌های مطلوب به هم می‌پیوندند تا پره‌های چرخان بار را تشکیل دهند که همزمان با میدان الکترومغناطیسی چرخان در حفره‌ها حرکت می‌کنند. این دسته‌های چرخان به طور مداوم از دهانه‌های حفره عبور می‌کنند و جریان‌های قوی را القا می‌کنند و نوسانات مایکروویو پرقدرت را حفظ می‌کنند.
بخش بعدی به معرفی لوله موج سیار می‌پردازد، دستگاهی که با اجتناب از استفاده از حفره‌های رزونانس، تقویت پهنای باند را انجام می‌دهد.
۵.۳ لوله موج سیار (TWT)
تیوب موج سیار (TWT) برای غلبه بر محدودیت کلیدی دستگاه‌های حفره رزونانسی مانند کلایسترون، یعنی پهنای باند باریک آنها، توسعه داده شد. TWT یک تقویت‌کننده پرتو خطی است که قادر به ارائه بهره بالا در طیف وسیعی از فرکانس‌ها است و آن را به یک جزء حیاتی در سیستم‌های ارتباطی پهن باند مدرن و جنگ الکترونیک تبدیل می‌کند.
- ساخت و ساز: TWT شامل یک تفنگ الکترونی که یک پرتو الکترونی متمرکز تولید می‌کند، صفحات آند برای شتاب دادن به پرتو، یک جمع‌کننده در انتهای آن، و از همه مهم‌تر، یک ساختار موج آهستهرایج‌ترین ساختار موج آهسته، رسانا است. مارپیچسیگنال ورودی RF به یک سر مارپیچ وارد می‌شود و خروجی تقویت‌شده از سر دیگر گرفته می‌شود.
- اصل عملیات: چالش اصلی در برهمکنش پرتو الکترونی با موج RF، عدم تطابق سرعت آنهاست. مارپیچ این مشکل را حل می‌کند. در حالی که موج در امتداد سیم مارپیچ با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، سرعت مؤثر رو به جلوی آن در امتداد محور لوله به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. گام مارپیچ به گونه‌ای طراحی شده است که این سرعت موج محوری کمی کمتر از سرعت پرتو الکترونی باشد. این همگام‌سازی سرعت، برهمکنش پیوسته را امکان‌پذیر می‌سازد. با حرکت پرتو الکترونی در امتداد محور، مؤلفه محوری میدان الکتریکی موج باعث مدولاسیون سرعت و خوشه‌بندی می‌شود. این خوشه‌های الکترونی در نواحی کندکننده میدان تشکیل می‌شوند و به طور مداوم انرژی جنبشی خود را به موج RF روی مارپیچ می‌دهند. از آنجا که این انتقال انرژی در کل طول لوله اتفاق می‌افتد، موج RF به صورت نمایی رشد می‌کند و در نتیجه بهره بسیار بالایی حاصل می‌شود.
- برنامه های کاربردی: ترکیب بهره بالا و پهنای باند وسیع TWT، آن را برای کاربردهای متنوعی از جمله تقویت‌کننده‌های RF کم‌نویز در گیرنده‌های مایکروویو، تقویت‌کننده‌های تکرارکننده در لینک‌های ارتباطی و لامپ‌های خروجی توان در ماهواره‌های ارتباطی ایده‌آل می‌کند.
پس از بررسی دستگاه‌هایی که مایکروویو تولید و تقویت می‌کنند، ماژول نهایی به مهارت‌های عملی ضروری اندازه‌گیری و توصیف عملکرد این اجزا و سیستم‌هایی که تشکیل می‌دهند، خواهد پرداخت.