Войти
Миниатюрная лампа обратной волны O-типа, произведенная Varian в 1956 году. Ее можно было настраивать по напряжению в диапазоне 8,2- Диапазон 12,4 ГГц и напряжение питания 600 В. 
Генератор обратной волны в Стокгольмском университете, работающий в терагерцовом диапазоне A Генератор обратной волны (BWO ), также называемый carcinotron (торговое название трубок, производимых CSF, теперь Thales ) или трубка обратной волны, представляет собой вакуумную трубку который используется для генерации микроволн до терагерц диапазона. Принадлежащий к семейству ламп бегущей волны, это генератор с широким диапазоном электронной настройки.
Электронная пушка генерирует электронный пучок, который взаимодействует с замедляющей структурой. Он поддерживает колебания, распространяя бегущую волну назад против луча. Сгенерированная мощность электромагнитной волны имеет свою групповую скорость, направленную противоположно направлению движения электронов. Выходная мощность выводится около электронной пушки.
Он имеет два основных подтипа: M-тип (M-BWO ), самый мощный, и O-тип ( О-БВО ). Выходная мощность O-типа обычно находится в диапазоне от 1 мВт на частоте 1000 ГГц до 50 мВт на частоте 200 ГГц. Карцинотроны используются как мощные и стабильные источники микроволн. Благодаря хорошему качеству волнового фронта, которое они производят (см. Ниже), они находят применение в качестве осветителей при формировании изображений в терагерц.
Осцилляторы обратной волны были продемонстрированы в 1951 году, M-типа и O-type Рудольфом Компфнером. ЛОВ М-типа представляет собой управляемую напряжением нерезонансную экстраполяцию взаимодействия магнетрон. Оба типа настраиваются в широком диапазоне частот путем изменения ускоряющего напряжения. Они могут проходить через полосу достаточно быстро, чтобы излучать сразу всю полосу, что делает их пригодными для эффективного радиолокационного подавления, быстро настраиваясь на частоту радара. Карцинотроны позволили установить бортовые радиолокационные помехи высокой эффективностью. Однако радары frequency-agile могут скачкообразно перескакивать частоты, чтобы заставить генератор помех использовать заградительные помехи, уменьшая его выходную мощность в широком диапазоне и значительно ухудшая его эффективность.
Карцинотроны используются в исследовательских, гражданских и военных целях. Например, чехословацкие пассивные датчики Копаца и пассивные датчики Ramona системы обнаружения ПВО использовали карцинотроны в своих приемных системах.
Схема концепций. Сигналы проходят от входа к выходу, как описано в тексте на изображении. Все лампы бегущей волны работают одинаково и различаются в основном деталями своей конструкции. Эта концепция зависит от постоянного потока электронов из электронной пушки, которые движутся по центру трубки (см. Смежную концептуальную схему). Электронный луч окружает своего рода радиочастотный источник сигнала; в случае традиционного клистрона это резонансная полость, на которую подается внешний сигнал, тогда как в более современных устройствах есть серия этих полостей или спиральная металлическая проволока, питаемая тем же сигналом.
Когда электроны движутся по трубке, они взаимодействуют с радиочастотным сигналом. Электроны притягиваются к областям с максимальным положительным смещением и отталкиваются от отрицательных областей. Это заставляет электроны группироваться по мере того, как они отталкиваются или притягиваются по длине трубки, процесс, известный как модуляция скорости. Этот процесс заставляет электронный пучок принимать ту же общую структуру, что и исходный сигнал; плотность электронов в пучке соответствует относительной амплитуде радиочастотного сигнала в индукционной системе. Электронный ток зависит от деталей пушки и обычно на несколько порядков мощнее входного радиочастотного сигнала. Результатом является сигнал в электронном луче, который является усиленной версией исходного радиочастотного сигнала.
Когда электроны движутся, они создают магнитное поле в любом соседнем проводнике. Это позволяет извлечь усиленный сигнал. В таких системах, как магнетрон или клистрон, это достигается с помощью другой резонансной полости. В спиральных конструкциях этот процесс происходит по всей длине трубки, усиливая исходный сигнал в спиральном проводнике. «Проблема» традиционных конструкций в том, что они имеют относительно узкую полосу пропускания; конструкции на основе резонаторов будут работать с сигналами в пределах 10% или 20% от их конструкции, так как это физически встроено в конструкцию резонатора, в то время как конструкции спирали имеют гораздо более широкую полосу пропускания, возможно, 100% с обеих сторон проектного пика.
BWO построен аналогично спиральной ЛБВ. Однако вместо радиочастотного сигнала, распространяющегося в том же (или подобном) направлении, что и электронный луч, исходный сигнал распространяется под прямым углом к лучу. Обычно это достигается просверливанием отверстия в прямоугольном волноводе и пропусканием луча через отверстие. Затем волновод проходит два поворота под прямым углом, образуя С-образную форму и снова пересекая луч. Этот базовый рисунок повторяется по длине трубки, поэтому волновод несколько раз проходит поперек луча, образуя серию S-образных форм.
Исходный радиочастотный сигнал поступает из того места, которое могло бы быть дальним концом ЛБВ, где будет добываться энергия. Воздействие сигнала на луч ближнего света вызывает тот же эффект модуляции скорости, но из-за направления радиочастотного сигнала и особенностей волновода эта модуляция распространяется вдоль луча назад, а не вперед. Это распространение, замедленная волна, достигает следующего отверстия в свернутом волноводе точно так же, как и та же фаза радиочастотного сигнала. Это вызывает усиление так же, как и традиционная ЛБВ.
Разница между двумя системами состоит в том, что в ЛБВ скорость распространения по спирали должна быть аналогична скорости распространения электронов в пучке. В BWO дело обстоит иначе. Волновод налагает строгие ограничения на полосу пропускания сигнала и устанавливает скорость его распространения как основную функцию его конструкции, но скорость сигнала, индуцируемого в электронный пучок, зависит от скорости электронов. Это означает, что частота выходного сигнала может быть изменена путем изменения скорости электронов, что легко достигается путем изменения напряжения электронной пушки.
На этом изображении показан эффект четырехканцеротрона. - несущий самолет на типичном импульсном радаре 1950-х годов. Самолеты расположены примерно в 4 и 5:30 местах. Дисплей заполняется шумом каждый раз, когда главный лепесток или боковые лепестки антенны проходят через генератор помех, делая самолет невидимым. Изначально устройству было присвоено название «карцинотрон», потому что оно было похоже на рак на существующий радиолокационные системы. Путем простого изменения напряжения питания устройство могло генерировать любую требуемую частоту в полосе частот, которая была намного больше, чем мог бы соответствовать любой существующий микроволновый усилитель - резонаторный магнетрон работал на одной частоте, определяемой физическими размерами их резонаторов, и хотя клистрон усиливал внешний сигнал, он делал это эффективно только в небольшом диапазоне частот.
Раньше подавление радиолокатора было сложной и трудоемкой операцией. Операторам приходилось прослушивать потенциальные используемые частоты, настраивать на этой частоте один из группы усилителей, а затем начинать вещание. Когда радиолокационная станция поймет, что происходит, они изменят свои частоты, и процесс начнется снова. В отличие от этого, карцинотрон мог так быстро перебирать все возможные частоты, что казалось, что это постоянный сигнал на всех частотах одновременно. Типичные конструкции могут генерировать сотни или несколько тысяч ватт, поэтому на любой одной частоте радиолокационная станция может принимать несколько ватт мощности. Однако на большом расстоянии количество энергии исходной радиолокационной передачи, которая достигает самолета, составляет не более нескольких ватт, поэтому карцинотрон может их одолеть.
Система была настолько мощной, что было обнаружено, что карцинотрон, работающий на самолете, начнет действовать еще до того, как поднимется над радарным горизонтом. По мере того, как он проходил по частотам, он передавал рабочую частоту радара в фактически случайные моменты времени, заполняя дисплей случайными точками каждый раз, когда антенна была направлена рядом с ним, возможно, на 3 градуса с каждой стороны от цели. Было так много точек, что на экране просто появился белый шум в этой области. По мере приближения к станции сигнал также начинал появляться в боковых лепестках антенны, создавая дополнительные области, которые были заглушены шумом. На близком расстоянии, порядка 100 миль (160 км), весь экран радара будет полностью заполнен шумом, что сделает его бесполезным.
Эта концепция была такой мощной, как jammer, что есть серьезные опасения, что наземные радары устарели. У бортовых радаров было то преимущество, что они могли приблизиться к самолету, несущему глушитель, и, в конце концов, огромная мощность от их передатчика «прожигла» глушилки. Однако перехватчики той эпохи полагались на направление на землю, чтобы попасть в зону досягаемости, используя наземные радары. Это представляло огромную угрозу для операций противовоздушной обороны.
Для наземных радаров угроза в конечном итоге была устранена двумя способами. Во-первых, радары были модернизированы для работы на множестве разных частот и случайного переключения между ними от импульса к импульсу. Эта концепция теперь известна как гибкость частоты. Некоторые из этих частот никогда не использовались в мирное время и строго засекречены в надежде, что они не будут известны глушителю в военное время. Карцинотрон все еще может проходить через весь диапазон, но тогда он будет передавать на той же частоте, что и радар, только в случайные моменты времени, что снижает его эффективность. Другое решение заключалось в добавлении пассивных приемников, которые триангулировали радиопередачи карцинотрона, что позволяло наземным станциям выдавать точную информацию о местонахождении источника помех и позволяло атаковать их.
(a) прямая основная пространственная гармоника (n = 0), (b) обратная основная Необходимые замедляющие структуры должны поддерживать электрическое поле радиочастоты (RF) с продольной составляющей; структуры являются периодическими в направлении луча и ведут себя как микроволновые фильтры с полосами пропускания и полосами задерживания. Из-за периодичности геометрии поля идентичны от ячейки к ячейке, за исключением постоянного фазового сдвига Φ. Этот фазовый сдвиг, чисто действительное число в полосе пропускания структуры без потерь, зависит от частоты. Согласно теореме Флоке (см. теория Флоке ), РЧ электрическое поле E (z, t) может быть описано на угловой частоте ω суммой бесконечного числа "пространственных или пространственные гармоники "E n
где волновое число или постоянная распространения k n каждой гармоники выражается как
z - направление распространения, p - шаг цепи и n - целое число.
Два примера характеристик медленной цепи показаны на диаграмме ω-k или Бриллюэна :
Периодическая структура может поддерживать как прямые, так и обратные пространственные гармоники, которые не являются модами поля, и не может существуют независимо, даже если луч может быть связан только с одним из них.
Поскольку величина пространственных гармоник быстро уменьшается при большом значении n, взаимодействие может быть значительным только с основной или первой пространственной гармоникой.
Схема M-BWO В карцинотроне M-типа или в генераторе обратной волны M-типа используются перекрещенные статическое электрическое поле E и магнитное поле B, аналогичное магнетрону, для фокусировки пучка электронного листа, дрейфующего перпендикулярно E и B, вдоль замедляющего контура со скоростью E / B. Сильное взаимодействие возникает, когда фазовая скорость одной пространственной гармоники волны равна скорости электрона. Оба компонента E z и E y РЧ поля участвуют во взаимодействии (E y параллельно статическому полю E). Электроны, которые находятся в замедляющем электрическом поле E z медленной волны, теряют потенциальную энергию, которую они имеют в статическом электрическом поле E, и достигают цепи. Единственный электрод является более отрицательным, чем катод, чтобы избежать сбора тех электронов, которые набрали энергию при взаимодействии с медленной пространственной гармоникой.
В карцинотроне O-типа или генераторе обратной волны O-типа используется электронный луч, продольно сфокусированный с помощью магнитное поле и замедляющий контур, взаимодействующий с лучом. Коллектор собирает луч на конце трубки.
BWO - это настраиваемый по напряжению генератор, скорость настройки которого напрямую связана с характеристиками распространения в цепи. Колебания начинаются с частоты, при которой волна, распространяющаяся по контуру, синхронна с медленной волной пространственного заряда пучка. По сути, ЛОВ более чувствителен к внешним колебаниям, чем другие генераторы. Тем не менее, его способность синхронизироваться по фазе или частоте была продемонстрирована, что привело к успешной работе в качестве гетеродинного гетеродина.
Чувствительность частота – напряжение определяется соотношением
f / f = 1/2 [1 / (1 + | v Φ/vg|)] (V0/V0)Частота колебаний также чувствительна к току луча (так называемое "изменение частоты"). Текущие колебания на низких частотах в основном связаны с подачей анодного напряжения, а чувствительность к анодному напряжению определяется как
f / f = 3/4 [ω q / ω / (1 + | v Φ/vg|)] (Va/Va)Эта чувствительность по сравнению с чувствительностью катода по напряжению уменьшается на коэффициент ω q / ω, где ω q - угловая плазменная частота; это отношение порядка нескольких десятков.
Измерения на субмиллиметровом диапазоне BWO (de Graauw et al., 1978) показали, что в этом диапазоне длин волн можно ожидать отношения сигнал / шум 120 дБ на МГц. При гетеродинном обнаружении с использованием BWO в качестве гетеродина, эта цифра соответствует шумовой температуре, добавленной генератором только 1000–3000 К.
