Lampy z Falą Bieżącą – LFB (Traveling Wave Tube TWT) Paul Paweł Chomiński WA6PY 14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe µFale Bydgoszcz 2014 rok
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
1 Wzmacniacze na lampach z falą bieżąca - TWT
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Pomimo gwałtownego rozwoju elementów półprzewodnikowych w dalszym ciągu, w celu uzyskania dużych mocy rzędu od kilkudziesięciu watów do kilku kilowatów w zakresie fal milimetrowych i mikrofal stosuje się TWT. TWT są bardzo wygodne w użyciu. Zależnie od poziomu mocy wyjściowej i częstotliwości posiadają wzmocnienie od 30 do 46 dB. Oznacza to, że dla TWT o G=40dB i mocy sterującej 4 mW = 6dBm uzyskujemy na wyjściu moc 46 dBm = 40 W.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
TWT jest bardzo wymagająca ze strony zasilania. Szybkość strumienia elektronów musi być dopasowana do długości fali w strukturze spowalniającej. Jest nią najczęściej linia transmisyjna typu helix. Dla lamp większej mocy stosuje się strukturę zwiniętego falowodu (folded waveguide) lub rezonatorów ze sobą sprzężonych. Różnica pomiędzy klystronem a TWT z rezonatorami polega na tym, że w TWT rezonatory są ze sobą silnie sprzężone i energia w.cz. przepływa pomiędzy nimi a w klystronie są całkowicie izolowane.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Klystron natomiast składa się z oddzielnych rezonatorów. Z tego powodu jest to lampa wąskopasmowa. TWT z kolei ze względu na sprzężenie w strukturze spowialniającej ma tendencje do wzbudzania się, na skutek rozchodzenia się fali w kierunku wstecznym. BWO (Back Wave Oscillator – inna nazwa Carcinotron) jest to odmiana TWT wykorzystywana jako oscylator w oparciu o naturalna tendencje rozchodzenia się fali wstecz. Częstotliwość oscylacji można łatwo zmieniać przestrajając napięciem helixa. Przez długi czas zanim powstały nowe materiały półprzewodnikowe było to główne źródło sygnału mikrofalowego. Obecnie jest lampą nadal popularną jako źródło sygnału o dużej mocy na falach milimetrowych i THz.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rys.1 - Typowa struktura TWT z helixem
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Największe napięcie panuje pomiędzy katodą a helixem. Helix jest uziemiony natomiast katoda jest zasilana napięciem ujemnym .
Strumień elektronów powinien być doskonale zogniskowany przelatując przez strukturę helixa, helix natomiast powinien mieć potencjał równy zero. Ze względu na niedoskonałość ogniskowania elektrostatycznego w obrębie działa elektronowego, ogniskowania magnetycznego na około struktury helixa oraz braku idealnej prózni, płynie szczątkowy prąd helixa.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Helix jest to linia transmisyjna dopasowana impedancyjnie. Z reguły Zo helixa jest > 50 Ohm i dlatego podłączenia do portów koncentrycznych zawierają element dopasowujący.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
.
Rys.2 - Schematyczna struktura helixa
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Lampy mniejszej mocy, szczególnie starszego typu posiadają tylko jeden kolektor zbierający elektrony. Napięcie na tym jednym kolektorze lub na kilku jest niższe od napięcia na helixie. Strumień elektronów po opuszczeniu struktury helixa nie musi już być zogniskowany. Zmniejszając napięcie C1 i C2 względem katody zmniejszamy moc wydzielaną na ciepło w lampie. Dzięki temu również powiększa się sprawność energetyczna lampy.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Lampy ze strukturą typu helix mogą być konstruowane jako szerokopasmowe. Generalnie największe wzmocnienie uzyskuje się dla skoku helixa 4 zwoje na dlugości fali. Ważne jest dobre dopasowanie wejścia i wyjścia TWT. Szczególnie dopasowanie wyjścia może mieć istotny wpływ na stabilność wzmacniacza. Fala odbita powoduje modulacje strumienia elektronów w takim stopniu, że mogą zostać spełnione warunki konieczne do powstania oscylacji.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Fala odbita od wyjścia powoduje zafalowanie ( ripple ) charakterystyki częstotliwościowej TWT. Zależnie od częstotliwości, czyli długości fali zmienia się faza sygnału odbitego i następuje dodawanie lub odejmowanie się synalu odbitego i sterującego. Z reguły struktura helixa jest bardzo delikatna i powoduje ograniczenie mocy lampy ze względu na ograniczenie prądu DC przez helix. Helix jest najcześciej wykonany z wolframu (tungstein) mocowanego do ścianek rury linii helikalnej za pomocą wsporników dielektrycznych dobrze odprowadzających ciepło. Jednym z materiałow jest tlenek berylu (Be2O), a innym, najlepiej odprowadzającym ciepło stosowanym materiałem jest diament.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Jednym z parametrów pracy lampy, którego nie należy przekroczyć jest maksymalny prąd helixa Ih. Lampy ze strukturą typu „folded waveguide” maja ograniczenia pasma ze względu na ograniczenia częstotliwości granicznych falowodu, ale w zamian można uzyskać wiekszą moc. TWT bardzo dużej mocy maja strukturę spowalniająca fale zbudowaną ze sprzężonych rezonatorów. Napięcia ogniskujące i przyspieszające strumień elektronów musza być dokładnie stabilizowane. Współczesne zasilacze do TWT są zbudowane w oparciu o techniki „Switching Power Supply” z bardzo dokładną stabilizacją napiec i zabezpieczeniami przed przeciążeniem.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Lampy na pasmo K i wyższe wymagają często napięć powyżej 12 kV dochodzących do 24kV. Strumień elektronów może być przyspieszony do 0.25 prędkości światła i w takiej TWT zaczynają zachodzić zjawiska relatywistyczne.
Lampy zaprojektowane na pewien zakres częstotliwości można w ograniczonym zakresie “przestroić” nieco w dół lub nieco w górę. Jeżeli chcemy użyć TWT zaprojektowaną na wyższą częstotliwość dla niższych częstotliwości, to należy podnieść napięcie helixa. Jest to na pierwszy rzut oka przeciwne intuicji, ale chodzi o to, że długość fali w helixie dla niższych częstotliwości będzie większa i w związku z tym należy przyspieszyć strumień elektronów aby pokonał dłuższą drogę w tym samym czasie.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rys.3 - Długość fali i prędkość strumienia elektronów
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
2 Współczynnik szumu TWT i jego wpływ na pracę systemu
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
TWT mocy maja NF typowo 20 - 30dB. Trzeba zwrócić uwagę na zapewnienie wystarczającej izolacji pomiędzy wyjściem TWT a wejściem RX. Okazuje, się że „zatkana” TWT w dalszym ciągu generuje szum. Moc tego szumu zależy od typu TWT i sposobu „zatkania” lampy. Nawet bez przyłożonych wysokich napięć, bezwładne elektrony generują silny szum termiczny.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rys.4 - Szum generowany przez TWT I jego wpływ na pogorszenie NF toru RX
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Przykłady obliczeń: Załóżmy następujące parametry systemu: NF_rx =0.8 dB Temparatura Szumow RX Tn_rx = 58.7 K Izolacja przelacznika anteny 70dB Typowe dane TWT: G=40dB NF_twt=27dB
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Szum termiczny na wejsciu TWT: Pn_in_twt = -174 + 27= 147 dBm/Hz Szum termiczny na wyjściu TWT: Pn_out_twt = -147 +40 = -107dBm/Hz Szum generowany przez TWT przedostający się na wejście odbiornika (RX): Pn_rx_in = -107 -70 = -177 dBm/Hz Odpowiadająca temu temperatura szumów: Tn_rx_in = 143.9 K
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Całkowita temperatura szumów toru odbiorczego: Tn_rx_total= 58.7 + 143.9 K Przeliczajac: NF_total = 2.2 dB.
Z tego przykładu widać, że izolacja przełącznika = 70dB jest niewystarczająca !
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
TWT mogą pracować na częstotliwosciach harmonicznych, natomiast nie będą pracować na częstotliwościach pod harmonicznych. Np. lampa RW 85 zaprojektowana na pasmo 6.4-7.1 GHz nie będzie pracować w paśmie 3.4 GHz, będzie natomiast bardzo sprawnym podwajaczem częstotliwości i przy sterowaniu 3.4 GHz uzyskamy pełna moc na 6.8 GHz.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
3 Popularne TWT stosowane dla pasm amatorskich.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
5.76 GHz - Siemens RW 85, 6.425-7.125 GHz i Pout 22W. U_helix = 3250 +/-0.5% pojedynczy C; RW289, 5.9 -7.125 GHz, U_h = 4000V, Pout 10W C1, C2
10.4 GHz - wszystkie TWT poniżej maja C1 i C2 – Siemens: RW 1125 - 10.7-11.7 GHz, U_h 3150-3250V, Pout=22W; RW 1125G - 10.7-13.25 GHz, U_h 3200V, Pout=20W; RW 1127 - 11.7-13.25 GHz, U_h 5000V, Pout=5W; RW 1136 - 10.7-11.7 GHz, U_h = 3250V, Pout=8W; RW 2135 - 10.7-11.7 GHz, U_h = 5100V, Pout=10W; Thomson TH 3631 - 3631C, 3631W 10.7-11.7 GHz U_h = 3750V, Pout=20W.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Lampa RW85 należy do starego typu z pojedynczym kolektorem. Z tego względu ma ograniczenie mocy wydzielanej wewnątrz lampy. Lampa ta była zaprojektowana na pasmo 6.425-7.125 GHz i Pout 22W. U_helix = 3250 +/-0.5% W paśmie 5.76 GHz dla katalogowych wartości napięć i prądów maksymalna moc wynosi 15 W. Zwiększając napięcie Uh do 3.585 kV można uzyskać 26W out. Jednocześnie stosuje się poprawę ogniskowania za pomocą zewnętrznych magnesów aby nie przekroczyć Ih max. RW298 lepiej nadaje się do pracy w paśmie 5.76 GHz, należy nieco podnieśc U_h aby przestroić lampę na niższą częstotliwość i zezwolić na przeciążenie C1. Wtedy możemy uzyskać 30-40W out.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Standardowy zasilacz Siemens’a RWN322 posiada wszystkie zabezpieczenia.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Lampy z serii RW1127, 1136, 2135 mają podaną katalogowo stosunkowo niską moc wyjściową: od 5W do 10W. Wynika to z wymaganej dużej liniowości wzmacniacza stosowanego do potrzeb cyfrowej modulacji QAM wymagającej bardzo dobrej liniowości i dużego stosunku mocy szczytowej do średniej. W warunkach amatorskich dla pracy CW wymagania co do liniowości są bardzo małe, moc jest jedynie ograniczona nasyceniem lampy. Podobnie jest dla pracy FM. Dla SSB wystarczającym kryterium będzie IMD3 < -25dBc, na mikrofalach raczej rzadko będziemy powodować spliter przeszkadzający innym.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rodzina tych lamp posiada dwa kolektory C1 i C2. W nowocześniejszych zasilaczach prądy kolektorów są monitorowane i w przypadku przeciążenia zasilacz odcina zasilane WN do lampy. Kolektory są wykonane jako cienkie cylindry wolframowe bez dużych możliwości odprowadzenia mocy – podobnie jak anody w małych lampach radiowych.
Okazuje się, że dla tej rodziny lamp główne ograniczenie mocy wyjściowej wynika ze wzrostu prądu C1 a nie Ih. Niektórzy amatorzy zalecają całkowite odłaczenie zabezpieczenia przed przeciążeniem C1. Jest to trochę ryzykowne.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Ja w dalszym ciągu stosuje ograniczenie, ale dopuszczam dużo wyższy poziom prądu. Rekomendował bym przynajmniej monitorowanie tego prądu. Na częstotliwości 10.4 GHz można uzyskać moc rzędu 30-40W, a rekordziści uzyskują nawet do 80W, ale żywot lamp tej serii przeciążonej ponad 40W out jest raczej krótki.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rys.5 - Wykorzystanie zabezpieczenia przed IC1_max w zasilaczu RWN322 do monitorowania prądu IC1
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
4 Strojenie lampy na Pmax za pomocą zewnętrznych magnesów.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Uwaga: Jest to operacja dosyć delikatna, wymaga cierpliwości i ostrożności. Zasada działania tego typu strojenia polega na „poprawieniu ogniskowania” strumienia elektronów w celu zmniejszenia prądu helixa.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Przy przesterowaniu lampy zaczyna narastać prąd helixa i to najczęściej ogranicza Pmax. Jest to spowodowane “rozogniskowaniem” strumienia elektronów. Procedura postępowania jest następująca: Monitorując prąd helixa, prąd katody i Pout powoli zbliżamy magnes lub kilka magnesów do lampy i staramy się znaleźć miejsce w którym Ih spadnie. Może się zdarzyć, ze Ih spadnie ale Ik, IC1, IC2 zaczynają narastać w zależności od pozycji magnesu. Jeżeli zmniejszymy Ih to możemy zwiększyć moc sterująca I próbować z kolejnym magnesem aż dojdziemy do momentu, w którym nie da się uzyskać większej Pout. Może się okazać, ze dla braku sterowania lampy, spoczynkowy prąd Ih będzie nieco wyższy niż oryginalnie. Jeżeli nie jest on zbyt wysoki i mieści się w granicach danych katalogowych lampy oraz zdrowego rozsądku to możemy uznać, że taki stan można zostawić.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rys.6 - Przykład TH3631 dostrojonej magnesami. Moc w paśmie 10,368 GHz wzrosła z 19W do 26W bez przeciążania żadnej z elektrod
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Rys.7 - RW85 dostrojona na pasmo 5.76 GHz zwiększajac Uhelix oraz poprawiając ogniskowanie zewnętrznymi magnesami
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
RW1125, RW1127, RW1136 były modyfikowane do pracy w paśmie 24 GHz. Modyfikacja polegała na usunięciu złaczy SMA oraz LPF znajdującego się poniżej złaczy SMA i zamontowaniu adapterów falowodowych WR42 – wymiar wewnętrzny 10.667 x 4.318 mm pokrywajacy pasmo 18 - 26.5 GHz. Dokładny opis modyfikacji znajduje się w internecie: „Modifying the RW1127 and similar TWTs for 24 GHz” by G4NNS.
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Literatura: Jan Hennel, “Lampy Mikrofalowe”, WNT Warszawa 1976 A.S. Glimour “Klystrons, Traveling Wave Tubes, Magnetrons, Cross-Field Amplifiers”, Gyrotrons, Artech House Microwave Library
14 Bydgoskie Spotkanie Mikrofalowe Paul Paweł Chomiński WA6PY
Dziękujemy za uwagę.
* Podziękowania dla Pawła WA6PY za przygotowanie materiałów z przeznaczeniem na 14 BSM.
