دانلود مقاله لامپ با میدان متقاطع

چکیده: این مقاله تحقیقی در مورد بررسی لامپ‌های پرقدرت مورد استفاده در رادار از نظر پهنای باند، قدرت، بهره ، راندمان و غیره می‌باشد.

در فصل اول با مطالعه روی لامپ‌های با میدان متقاطع (M- Type) و توصیف انواع آن پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را ارئه نموده است.

در فصل دوم به بررسی لامپ‌های با پرتو خطی (O-Type) و انواع مختلف آن و بررسی عمکرد تک‌تک آنها و آخرین تکنولوژی روز جهان پرداخته شده است.

فصل اول لامپ‌های با میدان متقاطع (Cross - Field) مایکروویوی (M-Type) مقدمه در لامپ‌های با میدان متقاطع (Cross Fielde) میدان مغناطیسی dc و میدان الکتریکی dc بر یکدیگر عمودند.

در همه لامپ‌های CF میدان مغناطیسی dc نقش مستقیمی در فرآیند اندرکنشی RF ایفا می‌کند.

لامپ‌های CF نامشان را از این حقیقت که میدان الکتریکی dc و میدان مغناطیسی dc بر یکدیگر عمودند گرفته‌اند.

در لامپ CF الکترونهایی که توسط کاتد ساطع می‌شوند بوسیله میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند و سرعت می‌گیرند.

اما همانطور که با ادامه مسیر سرعتشان بیشتر می‌شود توسط میدان مغناطیسی خم می‌شوند.

اگر یک میدان RF در مدار آند به کار برده شود الکترون‌هایی که در طی اعمال میدان کاهنده وارد مدار شوند کند می‌شوند و مقداری از انرژی خود را به میدان RF می‌دهند.

در نتیجه سرعتشان کاهش می‌یابد و این الکترونهای با سرعت کمتر در میدان الکتریکی dc که به میزان کافی دور هست تا ضرورتاً همان سرعت قبلی را دوباره بدست بیاورند طی مسیر می‌کنند.

بدلیل کنش اندرکنش‌های میدان متقاطع فقط آن الکترون‌هایی که انرژی کافی به میدان RF داده‌اند می‌توانند تمام مسیر تا آند را طی کنند.

این خصیصه لامپ‌های CF را نسبتاً مفید می‌سازد.

آن الکترونهایی که در طی اعمال میدان شتاب‌دهنده وارد مدار می‌شوند بر حسب دریافت انرژی کافی از میدان RF شتاب داده می‌شوند و به سمت کاتد باز می‌گردند.

این بمباران برگشتی در کاتد گرما ایجاد می‌کند و راندمان کار را کاهش می‌دهد.

در این فصل چندین لامپ CF را که عموماً به کار برده می‌شوند مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

اسیلاتورهای مگنترون Hull در سال 1921 مگنترون را اختراع کرد.

اما این وسیله تاحدود دهه 1940 تنها یک وسیله آزمایشگاهی جالب بود.

در طول جنگ جهانی دوم نیازی فوری به مولدهای ماکروویوی پرقدرت برای فرستنده‌های رادار منجر به توسعه سریع مگنترون شد.

همه مگنترون‌ها شامل بعضی اشکال آند و کاتد که در یک میدان مغناطیسی در میان یک میدان الکتریکی بین آند و کاتد کار می‌کنند می‌باشند.

به دلیل میدان تقاطع بین آندو کاتد الکترون‌هایی که از کاتد ساطع می‌شوند تحت‌تأثیر میدان متقاطع مسیرهایی منحنی‌شکل را طی می‌کنند.

اگر میدان مغناطیسی dc به اندازه کافی قوی باشد الکترون‌ها به آند نخواهند رسید ولی درعوض به کاتد باز می‌گردند.

در نتیجه جریان آند قطع می‌شود.

مگنترون‌ها را می‌تان به سه نوع طبقه‌بندی کرد: مگنترون با آند دو نیم شده[1] این نوع مگنترون از یک مقاومت منفی بین دو قسمت آند استفاده می‌کند.

مگنترون سیکلوترون فرکانس این نوع مگنترون تحت تأثیر عمل سنکرون کردن یک جزء متناوب میدان الکتریکی و نوسان پریودیک الکترون‌ها در یک مسیر مستقیم با میدان عمل می‌کند.

مگنترون موج رونده این نوع مگنترون به اندرکنش الکترون‌ها با میدان الکترومغناطیسی رونده با سرعت خطی بستگی دارد.

این نوع از لامپها به صورت ساده به عنوان مگنترون نامیده می‌شود.

مگنترون‌ها با مقاومت منفی معمولاً در فرکانس‌های زیر ناحیه مایکروویوی کار می‌کنند.

اگرچه مگنترون‌های سیکلوترون فرکانس در فرکانس ناحیه مایکروویوی کار می‌کنند، قدرت خروجی آنها بسیار کم است (حدود 1 وات در GHZ 3) و راندمان آنها بسیار کم است.

(حدود 10% در نوع آند دونیم شده و 1% در نوع تک‌آندی) بنابراین دو نوع اول مگنترون‌ها در این نوشتار مورد توجه نیستند.

مگنترون‌های استوانه‌ای دیاگرام شماتیکی اسیلاتور مگنترون استوانه‌ای در شکل زیر نشان داده می‌شود.

این نوع مگنترون، مگنترون قراردادی[2] نیز نامیده می‌شود.

در مگنترون استوانه‌ای چندین حفره به شکاف‌ها متصل شده‌اند و ولتاژ dc V0 بین کاتد و آند اعمال می‌شود.

چگالی شار مغناطیسی B0 در راستای محور Z است.

وقتی که ولتاژ dc و شار مغناطیسی به درستی تنظیم شوند الکترون‌ها مسیرهای دایروی را در فضای آند- کاتد تحت نیروی ترکیبی میدان الکتریکی و مغناطیسی طی می‌کند.

برای سالهای بسیار مگنترون‌ها منابع پرقدرتی در فرکانس‌هایی به بزرگی GHZ 70 بوده‌اند.

رادار نظامی از مگنترون‌های موج رونده قراردادی برای تولید پالس‌های RF با پیک قدرت بالا استفاده می‌کند.

هیچ‌وسیله مایکروویوی دیگری نمی‌تواند همانطور که مگنترون‌های قراردادی می‌توانند عمل مگنترون را با همان اندازه، وزن، ولتاژ و محدوده راندمان انجام دهد.

در حال حاضر، مگنترون می‌تواند پیک قدرت خروجی تا KW 800 می‌رسد.

راندمان بسیار بالاست و از 40 تا 70% تغییر می‌کند.

مگنترون کواکسیالی[3] مگنترون کواکسیالی از ترکیب یک ساختار رزوناتوری آند که توسط یک حفره با Q بالا که در مورد TE011 کار می‌کنند احاطه شده است تشکیل شده است.

شیارهایی که در پشت دیواره حفره‌های متناوب ساختار رزوناتوری آند قرار دارند به طور محکمی میدان‌های الکتریکی این رزوناتورها را با حفره احاطه‌کننده کوپل می‌کنند.

در عمل مود میدان‌های الکتریکی در همه حفره‌های دیگر هم فاز هستند و بنابراین آنها در جهت یکسان با حفره احاطه‌کننده کوپل می‌شوند.

در نتیجه حفره کواکسیالی محیطی مگنترون را در مورد مطلوب تثبیت می‌کند.

در مورد TE011 مطلوب میدان‌های الکتریکی مسیری دایروی را در داخل حفره طی می‌کنند و در دیواره‌های حفره به صفر کاهش می‌یابند.

جریان در مورد TE011 در دیواره‌های حفره در مسیرهای دایروی حول محور لامپ جریان دارند.

مودهای غیرمطلوب توسط تضعیف‌کننده در داخل استوانه داخلی شیاردار نزدیک انتهاهای شیارهای کوپلینگ میرا می‌شوند.

مکانیزم تنظیم ساده و قابل اعتماد است.

رزوناتور آند مگنترون کواکسیالی می‌تواند بزرگتر و با پیچیدگی کمتری نسبت به مگنترون قراردادی باشد.

بنابراین بارگذاری کاتد کمتر است و شیب‌های ولتاژ کاهش داده می‌شوند مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ[4] مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ یک اسیلاتور باند وسیع با فرکانس متغیر با تغییر ولتاژ اعمال شده بین آندوسل[5] است.

همانطور که در شکل زیر نشان داده می‌شود پرتو الکتریکی از یک کاتد استوانه‌ای کوتاه از یک انتهای دستگاه ساطع می‌شود.

الکترون‌ها توسط میدان‌های الکتریکی مغناطیس به شکل یک پرتو توخالی درمی‌آیند و سپس به طور اساسی از کاتد به بیرون فرستاده می‌شود.

سپس پرتو الکترونی به ناحیه بین سل و کاتد وارد می‌شوند.

پرتو با سرعتی که توسط میدان مغناطیسی محوری و ولتاژ dc اعمال شده بین آند و سل کنترل می‌شود حول سل می‌گردد.

مگنترون با ولتاژ قابل تنظیم از یک رزوناتور با Q کم استفاده می‌کند و پهنای باند آن در سطوح قدرت کم از 50% تجاوز می‌کند.

در مورد ، فرآیند دسته‌شدن پرتو توخالی در رزوناتور رخ می‌دهد و فرکانس نوسان توسط سرعت چرخشی پرتو الکترونی تعیین می‌شود.

به عبارت دیگر فرکنش نوسان را می‌توان با تغییر ولتاژ dc اعمال شده بین آند و سل کنترل کرد.

در سطوح قدرت بالا و فرکانس‌ های بالا درصد پهنای باند محدود است، در حالیکه در سطوح قدرت کم و فرکانس‌های بالا پهنای باند ممکن است به 70% برسد.

در سطوح قدرت بالا و فرکانس‌های بالا درصد پهنای باند محدود است، در حالیکه در سطوح قدرت کم و فرکانس‌های بالا پهنای باند ممکن است به 70% برسد.

1-3-1- مگنترون قابل تنظیم ساخت شرکت TMD 2-3-1- مگنترون با فرکانس ثابت ساخت شرکت TMD مگنترون کواکسیالی معکوس مگنترون را می‌توان با آند و کاتد معکوس ساخت.

یعنی اینکه کاتد آند را احاطه کند.

در مگنترون کواکسیالی معکوس حفره در داخل یک استوانه شیاردار قرار می‌گیرد و آرایه پره رزوناتور در خارج آن قرار گرفته است.

کاتد یک حلقه حول آند تشکیل می‌دهد.

شکل زیر دیاگرام شماتیکی مگنترون کواکسیالی را نشان می‌دهد.

مگنترون کواکسیالی Frequency- Agile مگنترون کواکسیالی Frequency Agile با مگنترون قابل تنظیم استاندارد متفاوت است.

Frequency Agility (FA) یک مگنترون کواکسیالی به صورت قابلیت تنظیم فرکانس خروجی رادار با سرعت به اندازه کافی بالا برای ایجاد تغییر فرکانسی پالس به پالس است، به طوری که این تغییر بزرگتر از مقدار لازم موثر برای خنثی کردن وابستگی اکوهای مجاور رادار باشد تعریف می‌شود.

مگنترون Frequency – Agile به همراه مدارهای مجتمع گیرنده مناسب می‌تواند جرقه‌زنی هدف را کاهش می‌دهد، قابلیت تشخیص هدف را در یک محیط شلوغ افزایش دهد و مقاومت در برابر اقدام‌های متقابل الکترونیکی (ECM) را افزایش دهد.

افزایش جدا سازی فرکانسی پالس به پالس بیشتر، شکل بیشتر در مرکز قرار دادن فرستنده پارازیتی در فرکانس رادار روی خواهد داد که این کار برای تداخل موثر با عملکرد سیستم صورت می‌گیرد.

1-5-1- مگنترون‌های Frequency Agile شرکت Litton 2-5-1- مگنترون‌های Frequency Agile شرکت TMD VANE AND STRAP با برگشت به جنگ جهانی دوم مدار Vane and strap اولین مدار مگنترون مدرن آن روز بود.

Vane and strap تعامل بعدی ترتیب حفره و شیار (hole and slot) بود که کارآیی کمتری داشت و از مشکلات ناپایداری مد صدمه می‌دید.

مگنترون Vene and strap همانطور که از اسمش برمی‌آید، عمل انتخاب مدش را با بستن یا وصل کردن پره‌های متناوب با تکه سیم‌های دایروی شکل که نوار نامیده می‌شوند انجام می‌دهد.

ساختار رزوناتور شبیه بسیاری از مدارهای رزوناتور نیم‌موج دارای مدهای نوسانی چندگانه است.

1-6-1- مگنترون‌های Vane and strap شرکت Litton Rising sun مدار Rising sun نام خود را از ظاهر مقطع رزوناتور گرفته است.

رزوناتورها متناوباً با یک قطر مشترک داخلی بزرگ و کوچک می‌شوند.

این ساختار از طراحی الکتریکی یک سیستم رزوناتوری دوگانه کوپل شده منتج می‌شوند.

اگرچه ساختارهای Rising sun 40 قدمت دارند اما به اندازه مگنترون‌های کواکسیالی و Vane and strap موردتوجه نیستند چون در باندهای میلیمتری تقاضا زیاد نیست.

ساختارهای Rising sun هزینه کمی نسبت به مدار Vane and Strap در GHZ 100 دارند.

Q این مدار نسبتاً کم است.

1-7-1- مگنترون‌های Rising sun شرکت Litton Injection - Locked مگنترون‌های Injectipn - Locked به عنوان جانشین عملی برای TWTها و کلایسترون‌ها در کاربردهایی که انسجام مورد نیاز است عمل می‌کنند.

این مگنترون‌ها از نظر هزینه نسبت به لامپ‌های TWT موثرترند.

علاوه بر این ترکیب نادر اندازه فشرده و کارایی خوب هم از مزایای این مگنترون‌ها است.

مفهوم Injectipn - Locked نسبتاً ساده است.

یک سینگنال با سطح کم به طور مستقیم به مدار رزوناس یک اسیلاتور پرقدرت Free running داده می‌شود.

اگر فرکانس منبع به اندازه کافی به فرکانس Free running اسیلاتور نزدیک باشد و دامنه سیگنال به اندازه کافی باشد وسیله پرقدرت در یک پهنای باند معین دارای پایداری فرکانس و فازی می‌شود.

در مورد یک مگنترون Injectipn - Locked انرژی از طریق یک سیر کولاتور به داخل آند کوچک می‌شود.

مگنترون‌های Beacon مگنترون‌های Beacon (مگنترون‌های قراردادی مینیاتوری) پیک قدرت خروجی KW 5/3 را تولید می‌کنند، در حالیکه وزن آنها از 2 پوند است.

این وسایل برای استفاده در جاهایی که منابع خیلی فشرده و لتاژ کم‌قدرت پالسی نیاز است ایده‌آل هستند.

نظیر هواپیمایی، موشک، ماهواره یا سیستم‌های Doppler .

بیشتر مگنترون‌های Beacon شیفت فرکانسی ناچیزی دارند و کارایی با طول عمر زیاد در سخت‌ترین شرایط محیطی و دمایی از خود نشان می‌دهند.

1-9-1- مگنترون‌های Beacon شرکت Litton CFA (Cross Field Amplifier) تقویت‌کننده با میدان متقاطع (CFA) پیامد وجود مگنترون است.

می‌توان CFAها را براسا مد عملکردشان به صورت انواع موج جلو‌رونده و موج و موج‌عقب‌رونده گروه‌بندی کرد و یا براساس منبع جریان الکترونی آنها به صورت انواع emitting sole یا injected-beam طبقه‌بندی کرد.

گروه اول به جهت فاز و سرعت گروه انرژی در مدار مایکروویوی مربوط است.

چون جریان الکترون به نیروهای میدان الکترونی RF واکنش می‌دهد.

رفتار سرعت فاز با فرکانس اولین موضوع مورد علاقه است.

گروه دوم بر روشی که با آن الکترون‌ها به ناحیه اندرکنش می‌رسند و چگونه کنترل می‌شوند تاکید می‌کند.

در مورد موج پیشرو، اغلب ساختار موج آهسته نوع مارپیچی به عنوان مدار مایکروویوی برای تقویت‌کننده با میدان متقاطع انتخاب می‌شود.

در مورد موج عقب‌رونده خط Strap یک انتخاب رضایت‌مندانه را نمایش می‌دهد.

ساختار تقویت‌کننده با موج متقاطع Strap در شکل زیر نشان داده می‌شود.

1-2- اصول عملکرد در لامپ emitting-sole در پاسخ به نیروهای میدان الکتریکی در فضای بین کاتد و آند جریان از کاتد خارج می‌شود.

مقدار جریان تابعی از ابعاد، ولتاژ اعمالی و خواص ساطع شدن از کاتد می‌باشد.

در لامپ injected-beam پرتو الکترونی در یک تفنگ جداگانه تولید می‌شود و به داخل ناحیه اندرکنش تزریق می‌شود.

شکل‌های اندرکنش مدار- پرتو در لامپ‌های emitting-sole و injected-beam مشابه هستند.

الکترون‌های فازی مطلوب به طرف آند که به طور مثبت پلاریزه شده ادامه مسیر می‌دهند تا سرانجام جذب شوند.

در حالیکه الکترون‌های فازی غیرمطلوب به طرف الکترود منفی پلاریزه شده حرکت می‌کنند.

در اندرکنش پرتو خطی همانطور که در لامپ‌های TWT بیان کردیم جریان الکترون ابتدا توسط یک تفنگ الکتریکی شتاب می‌گیرند تا به سرعت dc کامل برسند.

سرعت dc تقریباً برابر سرعت فازی محوری میدان RF در ساختار موج آهسته است.

بعد از اینکه کنش‌اندرکنش رخ داد، الکترون باقی‌مانده با یک سرعت با متوسط کم ناحیه اندرکنش را ترک می‌کند.

تفاوت سرعت، انرژی RF تولید شده از مدار ماکروویوی را توجیه می‌کند.

در CFA الکترون در معرض نیروی میدان الکتریکی، نیروی میدان مغناطیسی و نیروی میدان الکتریکی میدان RF ، حتی در معرض نیروی بار دیگر الکترون‌ها قرار می‌گیرد.

آخرین نیرو به دلیل پیچیدگی معمولاً در مطالعات آنالیتیک در نظر گرفته نمی‌شود.

تحت‌تأثیر سه نیرو، الکترون در مسیر حلزونی در جهت‌های هم پتانسیل حرکت می‌کند.

شکل زیر طرح جریان