Lampy mikrofalowe

W początkowym okresie istnienia radiolokacji w charakterze generatorów fal elektromagnetycznych stosowane były klasyczne triody. Ponieważ nie pozwalały one na uzyskanie fal krótszych od kilkunastu metrów, istniała zaś konieczność przechodzenia na zakres coraz krótszych fal, zaczęto stosować triody o specjalnych konstrukcjach.

Przy wysokich częstotliwościach na pracę lamp elektronowych coraz większy wpływ wywierają pojemności międzyelektrodowe, indukcyjności doprowadzeń oraz skończony czas przelotu elektronów między elektrodami. Dlatego w konstrukcjach triod wysokoczęstotliwościowych starano się zmniejszyć te parametry do minimum. Wymagania konstrukcyjne często były sprzeczne, bo np. czas przelotu elektronów jest krótszy przy małych odległościach między elektrodami, rosną natomiast pojemności międzyelektrodowe, rośnie także niebezpieczeństwo przebicia między elektrodami, co wymaga zmniejszenia napięcia anodowego.

Z powyższych względów w radiolokacji triody stosowano najczęściej do generacji fal metrowych. Górna granica częstotliwości generowanych fal nie przekraczała 500 – 700 MHz. Ponieważ wydawało się niemożliwe udoskonalanie klasycznych lamp pod kątem wzrostu ich maksymalnej częstotliwości pracy, konstruktorzy prowadzili prace nad zbudowaniem przyrządów, w których można byłoby wykorzystać właśnie skończony czas przelotu elektronów do przemiany ich energii kinetycznej w energię pola elektromagnetycznego ultrawielkiej częstotliwości. Prace zapoczątkowane w latach 30-tych ubiegłego wieku zaowocowały powstaniem wielu lamp, o egzotycznie brzmiących nazwach. Najbardziej udane konstrukcje, to magnetron, klistron, amplitron oraz lampa z falą bieżącą.

Magnetron

Wynaleziony w latach 30-tych dwudziestego wieku, udoskonalony przez dwóch młodych naukowców brytyjskich w pierwszych latach Drugiej Wojny Światowej, magnetron stał się przełomowym wynalazkiem, który po raz pierwszy umożliwił zbudowanie radaru o dużej promieniowanej mocy, pracującego w mikrofalowym zakresie częstotliwości. Ze względu na jego względnie niską cenę, niewielkie rozmiary i masę, wysoką sprawność energetyczną oraz prostą konstrukcję, a przy tym zdolność do generowania mikrofal o bardzo wysokim poziomie mocy, magnetron przez wiele lat był chętnie i szeroko stosowany w konstrukcjach nadajników radarowych.

Magnetron jest jedną z lamp należących do rodziny próżniowych, mikrofalowych lamp generacyjnych i wzmacniających, wykorzystujących zjawisko fizyczne polegające na tym, że gdy elektron porusza się w polu magnetycznym o liniach sił prostopadłych do wektora prędkości elektronu, to pole to wytwarza siłę skierowaną prostopadle do tego wektora, co w efekcie odchyla tor ruchu elektronu. Czym większa jest prędkość elektronu, tym większa siła i w rezultacie większa krzywizna toru. Ponieważ linie sił pola elektrycznego, koniecznego do wywołania ruchu elektronów są prostopadłe do linii sił pola magnetycznego, to lampy należące do wyżej wspomnianej rodziny nazywane są lampami o polach skrzyżowanych.

przekrój magnetronu

Gdybyśmy przecięli magnetron na pół, zobaczylibyśmy, że składa się on cylindrycznej, centralnie umieszczonej elektrody zwanej katodą, otoczonej drugą cylindryczną elektrodą zwaną anodą, posiadającą parzystą liczbę charakterystycznych wnęk. Równomiernie rozmieszczone wokół obwodu wewnętrznego anody wnęki, są w istocie rezonatorami, będącymi w technice mikrofal odpowiednikami równoległych obwodów rezonansowych LC. Jak widać na rysunku, wnęki te są otwarte i łączą się z przestrzenią między anodą i katodą.

Katoda jest ogrzewana elektrycznie (żarzona) do temperatury, w której zaczyna emitować elektrony tworzące wokół niej gęstą „chmurę”. Umieszczony na zewnątrz lampy magnes stały wytwarza wewnątrz lampy silne pole magnetyczne, którego linie sił są równoległe do osi obu elektrod. Aby „zmusić” magnetron do generowania fal elektromagnetycznych, należy do katody i anody podłączyć źródło wysokiego napięcia stałego, przy czym katoda powinna mieć potencjał elektryczny ujemny, anoda zaś – dodatni. Powstałe w ten sposób pole elektryczne ma linie sił skierowane promieniście od anody do katody. Przyciągane przez dodatni potencjał elektrony przyspieszają w kierunku anody, ale w miarę jak ich prędkość rośnie, pole magnetyczne wytwarza narastającą siłę zmuszającą elektrony do poruszania się po zakrzywionych torach przebiegających blisko rezonatorów wnękowych.

Tak jak drgania akustyczne narastają w butelce, gdy się dmucha w pobliżu wylotu jej szyjki, tak w rezonatorach zaczynają narastać drgania pola elektromagnetycznego, gdy w pobliżu ich wylotów przelatuje chmura elektronów. Podobnie również do częstotliwości fal dźwiękowych w butelce, częstotliwość powstałych w rezonatorach fal elektromagnetycznych jest rezonansową częstotliwością wnęk.

Cały wyżej opisany proces zostaje zainicjowany w ułamku mikrosekundy, wystarczy, że powstaną drania w jednym z rezonatorów, a będą się one przenosić do pozostałych za pośrednictwem przestrzeni między katodą i anodą. Pola elektryczne narastających w rezonatorach drgań powodują zmianę prędkości elektronów. Te, które trafią w pole przyspieszające, zwiększają prędkość oraz bardziej odchyla się tor ich ruchu, w rezultacie uderzają w katodę, oddając jej swoją energię kinetyczną na poczet wzrostu jej temperatury, w konsekwencji zostają szybko wysortowane, te natomiast, które trafią w pole hamujące, zwalniają i kierują się bliżej anody. W rezultacie elektrony grupują się tworząc wirujące „szprychy”, których rotacja jest zsynchronizowana ze zmianami fazy drgań w rezonatorach.

Elektrony tworzące szprychy są stopniowo hamowane podczas mijania szczelin kolejnych rezonatorów, przekazując swoją energię kinetyczną polu elektromagnetycznemu, w ten sposób zwiększając jego energię. Przy zmniejszającej się prędkości, tor ruchu elektronów oczywiście zmniejsza swoją krzywiznę, ostatecznie elektrony docierają do anody. Do tego momentu jednak są zdolne przekazać 70% swojej energii kinetycznej polu elektromagnetycznemu ultrawielkiej częstotliwości. Pozostała część energii jest absorbowana w anodzie w postaci ciepła, dlatego magnetrony wymagają chłodzenia strumieniem powietrza lub cieczą.

Elektrony z anody wracają do katody poprzez zewnętrzne źródło zasilania. Zatem przemiana energii tego źródła w energię mikrofal trwa tak długo, jak długo dostarczana jest ona ze źródła. Aby wyprowadzić wytworzoną przez magnetron energię na zewnątrz lampy, do jednej z wnęk wprowadza się niewielką elektrodę, przekazującą energię do falowodu. Częstotliwość generowanych drgań można zmieniać w ograniczonym zakresie wsuwając do rezonatorów metalowe trzpienie, tzw. strojniki.

Klistrony

Klistrony są lampami próżniowymi z modulowaną wiązką elektronów zwanymi również lampami z modulacją prędkości lub z wiązką liniową.

Strumień elektronów przebywa w klistronie drogę na tyle długą, że prędkość pojedynczych elektronów może być na przemian zwiększana i zmniejszana przez pole elektromagnetyczne rezonatorów wnękowych otaczających wiązkę. To przyspieszanie i spowalnianie elektronów powoduje, że grupują się one w „paczki”. Zmiany stopnia zgrupowania powodują modulację wiązki. Modulacja jest wywoływana na początku drogi elektronów przez pierwszy rezonator wnękowy i zwiększa się w miarę jak elektrony przechodzą przez kolejne rezonatory. Proces ten pokazuje rysunek przedstawiający klistron dwuwnękowy.

klistron dwuobwodowy

Klistron jest tu traktowany jak wydłużona lampa próżniowa składająca się z dwóch sekcji zawartych we wnękach rezonansowych. Strumień elektronów emitowany przez katodę w lewym końcu lampy przechodzi przez wnękę pierwszego rezonatora, dalej przez obszar zwany obszarem grupowania, przez wnękę drugiego rezonatora i dociera do elektrody zwanej kolektorem. Mówiąc w uproszczeniu, pierwszy rezonator sprzężony ze źródłem sygnału, (czyli rezonator wejściowy) wytwarza zmienne pole elektryczne, które na przemian spowalnia i przyspiesza elektrony. Mając różne prędkości, elektrony grupują się w „paczki”. Te paczki pobudzają do drgań drugi rezonator (wyjściowy) i wzmacniają w nim oscylacje w takt zmian oscylacji w rezonatorze wejściowym. Z rezonatora wyjściowego odprowadzany jest na zewnątrz wzmocniony sygnał.

W praktycznych rozwiązaniach dla zwiększenia sprawności energetycznej, w klistronach umieszcza się kilka rezonatorów grupujących elektrony, tak zmodyfikowane klistrony noszą nazwę klistronów wielownękowych.

Klistrony dwu i wielownękowe są mikrofalowymi lampami wzmacniającymi, ale przez zapewnienie zewnętrznego sprzężenia zwrotnego mogą generować energię elektromagnetyczną dużej mocy. Klistronem, który sam w sobie jest generatorem, jest jednownękowa lampa zwana klistronem refleksowym, jest to jednak lampa małej mocy, dlatego zakres jej zastosowań w radiolokacji jest ograniczony. Przykładem stacji radiolokacyjnej, w której w nadajniku zastosowano klistron dużej mocy, jest radar kontroli zbliżania ASR-9 wyprodukowany przez amerykańską firmę Westinghouse, pracujący na lotnisku Warszawa Okęcie.

Amplitron

Amplitron jest to lampą mikrofalową o polach skrzyżowanych, służącą do wzmacniania sygnałów ultrawielkiej częstotliwości dużej mocy. Wokół katody emitującej elektrony umieszczona jest anoda złożona z szeregu przegród. Przegrody te wychwytują elektrony docierające do anody, a jednocześnie tworzą linię opóźniającą sprzężoną z wejściem i wyjściem lampy. Przy dołączonym napięciu anodowym i obecności pola magnetycznego, emitowane elektrony poruszają się, podobnie jak w magnetronie, po spiralnych torach ze zwiększającą się prędkością. Gdy prędkość elektronów zrówna się z prędkością fali wzmacnianego sygnału w linii opóźniającej, na skutek wzajemnego oddziaływania następuje przekazywanie energii kinetycznej elektronów do fali i wzrost jej energii. Spowolnione elektrony kończą swój bieg na anodzie.

Typowe wzmocnienie mocy amplitronu wynosi od 10 do 20dB przy dużej sprawności energetycznej, wynoszącej 70 – 80%. Amplitrony były i są stosowane w nadajnikach polskich stacji radiolokacyjnych, np. w popularnej stacji „Jawor-M2” impulsowa moc wyjściowa nadajnika, dzięki zastosowaniu amplitronu, przekraczała wartość 3MW.

Lampa o fali bieżącej (LFB)

LFB jest mikrofalową lampą wzmacniającą małej i średniej mocy, należącą do klasy elementów z wiązką liniową (podobnie jak klistron). Dla LFB charakterystyczny jest obwód wytwarzający pole elektryczne działające na całej długości wiązki elektronowej i służący również do odbierania energii z wiązki zgrupowanych elektronów, dzięki czemu uzyskuje się potrzebne wzmocnienie i moc wyjściową sygnału. W LFB, w przeciwieństwie do klistronu, nie stosuje się pól rezonansowych, lecz ciągłe działanie ogniskujące wzdłuż wiązki za pomocą stałego pola magnetycznego, którego źródłem są magnesy stałe lub elektromagnesy.

LFB

Podstawowa konstrukcja LFB zawiera działo elektronowe, spiralę z pojedynczego drutu, wejściowe i wyjściowe elementy sprzęgające oraz kolektor – wszystkie te elementy zamknięte są w szklanej lub metalowej obudowie i całość otoczona jest magnesem ogniskującym (solenoid). Działo elektronowe wytwarza zogniskowany strumień elektronów, które poruszają się w kierunku kolektora wewnątrz spirali utworzonej przez równomiernie nawinięty przewodnik. Sprzęgające uzwojenia wejściowe i wyjściowe umieszczone są odpowiednio po obu końcach spirali. Kolektor o dodatnim potencjale nadaje wiązce ostateczne przyspieszenie oraz wychwytuje elektrony.

Działanie wzmacniające LFB odbywa się w czasie, gdy elektrony przelatują wewnątrz spirali i są grupowane, co jest wynikiem naprzemiennego ich przyspieszania i hamowania przez wejściową falę ultrawielkiej częstotliwości. Ponieważ to oddziaływanie ma charakter ciągły i addytywny (sumujący), amplituda sygnału narasta wzdłuż spirali. Spirala działa tu jak linia opóźniająca o odpowiednio dobranej średnicy i liczbie zwojów na jednostkę długości tak, że fala poruszająca się wzdłuż uzwojenia z prędkością światła ma wypadkową prędkość wzdłuż osi spirali około 10 razy mniejszą, współmierną z prędkością elektronów.

Wzdłużne pole elektryczne spirali, wywołane wzmacnianym sygnałem, w pewnych punktach powoduje hamowanie elektronów w wiązce, w innych zaś ich przyspieszanie, co w efekcie powoduje grupowanie elektronów w paczki. Ponieważ elektrony jednocześnie są przyciągane do dodatniego kolektora, to po zgrupowaniu się w paczki, znajdując się w polu hamującym spirali, przekazują swoją energię uzyskaną ze źródła zasilającego obwód katoda – kolektor, fali wzmacnianego sygnału.

Wspomniane wyżej zewnętrzne magnesy wytwarzają stałe pole magnetyczne, którego linie sił będąc równoległymi do osi lampy, zapobiegają rozogniskowaniu się wiązki elektronów w czasie ich długiej drogi między katodą i kolektorem.

Nowoczesne lampy o fali bieżącej charakteryzują się dużym wzmocnieniem, małymi szumami oraz szerokim pasmem częstotliwości wzmacnianych sygnałów. Ze względu na swoje zalety do niedawna były szeroko stosowane w stopniach wejściowych odbiorników radiolokacyjnych. Obecnie, w dobie mikrofalowych elementów półprzewodnikowych małej mocy i o małym współczynniku szumów, głównym polem ich zastosowań są nadajniki radarowe. Przykładem jest nadajnik polskiej stacji radiolokacyjnej NUR-31.