TUBURI ELECTRONICE SPECIALE PENTRU MICROUNDE 41 [604410]

TUBURI ELECTRONICE SPECIALE PENTRU MICROUNDE 41
2.4. Tubul electronic cu undă progresivă

Amplificatorul de frecvență foarte înaltă cu tub e lectronic cu undă progresivă
(fig.2.14.) este larg utilizat în receptoarele de î naltă sensibilitate datorită avantajelor
deosebite pe care le prezintă:
– banda de frecvență largă, de ordinul a 6 …. 18 GHz;
– puterea de ieșire de la zeci de wați până la kilowa ți;
– coeficient de zgomot redus.
Puterea de microunde se obține ca urmare a frânării unui fascicul de electroni
accelerați, cu ajutorul unei surse de curent contin uu, frânare realizată de câmpul
electric de microunde.
Pentru a se obține o interacțiune eficientă a elect ronilor cu un câmp de
microunde, este necesar ca viteza de deplasare a el ectronilor să fie cu puțin mai mare
decât viteza de propagare a câmpului electromagneti c. Deoarece la tensiuni de
accelerare rezonabile (1KV), viteza electronilor es te de 1/15 din viteza luminii, rezultă
necesitatea unei linii de întârziere, așa numitele ghiduri lente – structuri de tip ghid
periodic, capabil să suporte propagarea unor unde e lectromagnetice cu o viteză de fază
mult mai mică decât viteza luminii.
Un sistem de întârziere foarte răspândit este linia de întârziere de formă
elicoidală: viteza de fază a undei care se propagă prin acest sistem poate fi făcută de 10
– 50 ori mai mică decât viteza de propagare în spaț iul liber. Intensitatea câmpului de
microunde scade rapid cu distanța de la sistemul de întârziere; prin urmare fluxul
electronic trebuie să treacă cât mai aproape de con ductorul ce formează spirala.
Tubul electronic cu undă progresivă este realizat î ntr-o incintă vidată, de obicei
din sticlă.
Schematic, elementele componente ale unui amplifica tor cu undă progresivă,
sunt reprezentate în figura 2.14.
Sursa de încălzire 1, alimentează filamentul 2, înc ălzind catodul 3, care emite un
fascicul de electroni, ca într-un tub electronic ob ișnuit. Electronii emiși de catod intră
în câmpul accelerator al anodului 4 primind o mișca re uniform accelerată până la
ieșirea din tunul electronic al tubului. Apoi elect ronii sunt focalizați într-un fascicul
îngust de câmpul magnetic longitudinal creat de sis temul de focalizare 6, deplasându-
se prin interiorul spiralei 7, către colectorul 8 c u o viteză constantă (spirala și
acceleratorul sunt la același potențial cu anodul d e accelerare). Semnalul de intrare, sub
forma undelor electromagnetice recepționate, ce se aplică prin ghidul de intrare 9,
induce în “antena de recepție” 10, o tensiune elect romotoare sub influența căreia în
linia coaxială formată de spirala 7 și armătura 11 apare o undă electromagnetică
progresivă (deoarece ieșirea cestei linii este adap tată). Această undă se propagă de-a
lungul spiralei cu viteza luminii “ c”, iar axial cu o viteză de fază “ vf” mai mică care
depinde de pasul “ a” și de diametrul “ d” al spiralei conform relației:

dacvf⋅⋅=π (2.31)

TEHNICA FRECVENȚELOR ÎNALTE 42
Rezultă deci că unda este întârziată un timp oareca re pentru a interacționa cu
fasciculul de electroni, în scopul de a fi amplific ată, după care excită “antena de
emisie” 12, care radiază semnalul amplificat în ghi dul de ieșire 13.

Linia spirală din tub acționează ca un sistem de re ținere caracterizat prin
coeficientul de întârziere

ad
vcK
fiπ== (2.32)

Datorită întârzierii undei pe lungimea axială a lin iei coaxiale spirale sunt
cuprinse de Ki ori mai multe lungimi de undă decât intr-o linie c oaxială obișnuită (cu
conductor interior rectiliniu) de aceeași lungime ( deoarece unda electromagnetică se
propagă de-a lungul spiralei).
Viteza medie a fasciculului este dată de relația:

[ ]scmUmeUv / 931, 52
0 0 == (2.33)

unde: e = 1,602 ⋅10 -19 C ;
m = 9,11 ⋅10 -31 Kg

Fig. 2.14. Schema amplificatorului cu tub cu undă progresivă – +
U 0 Uf Ieșire Intrare
d
l3 l2 l1 9 6 7
13
8 2 3
4
1 12
10 11 15
5

TUBURI ELECTRONICE SPECIALE PENTRU MICROUNDE 43
Această particularitate a liniei coaxiale spirale duce la apariția și a unei
componente axiale Ez a câmpului electric în afara celei radiale, care există în liniile
coaxiale obișnuite (fig.2.15.). Astfel prin răsucir ea conductorului interior al liniei
coaxiale, se rezolvă două probleme: întârzierea und ei electromagnetic și crearea unei
componente longitudinale a câmpului electric, capab il în cazul de față să interacționeze
cu fasciculul de electroni.

Sf
iSiS
Sv
KK ωπ
ωπλ 22===Λ (2.34)

Relația (2.34) arată că această undă se propagă cu viteza vf , de aceea constanta
sa de fază în analogie cu cea de la o linie coaxial ă obișnuită, având ca dielectric aerul,
se va defini ca raportul dintre pulsația ωS și viteza de fază vf , adică

SfS
v∆==πωβ2 (2.35)

și va fi de Ki ori mai mare.
Componenta magnetică a câmpului undei electromagne tice, influențează într-o
mică măsură fasciculul electronic și de aceea, nu s e ia în considerație în analiza
funcționării tubului cu undă progresivă.
Principala influență asupra fasciculului electroni c, o exercită câmpul electric și
anume componenta longitudinală, care modulează în v iteză electronii fasciculului. Cu
cât intensitatea va fi mai mare, cu atât electronii vor fi modulați mai puternic iar
amplificarea tubului va fi mai mare. Intensitatea c âmpului Ez depinde de lungimea de
undă. Această dependență poate fi explicată și pe f igura 2.16.a. unde se prezintă
variația câmpului electric Ez, când lungimea de undă λS este egală cu lungimea a două
spirale. Dacă lungimea de undă va fi mai mare, de e xemplu egală cu lungimea a 4
spire, liniile câmpului electric longitudinal vor f i mai lungi, iar diferența de potențial pe
unitatea de lungime a liniei va fi mai mică. Aceast a va slăbi influența câmpului asupra
fasciculului de electroni și prin urmare modulația de viteză (porțiunea CAB a curbei din
figura 2.16.b.). Er λS
Fig.2.15. Variația componentei E r Dacă lungimea de undă λS este egală cu
lungimea a două spirale, atunci
componenta longitudinală a câmpului
electric are aspectul din figura 2.15.
Această componentă este maximă la
suprafața spiralei și scade către axul său.
Din figura 2.15. se observă că, dacă λS este
lungimea de undă, ce se propagă cu viteza
luminii prin spirală atunci lungimea de
undă corespunzătoare câmpului electric
longitudinal (undei longitudinale) va avea
expresia din relația:

TEHNICA FRECVENȚELOR ÎNALTE 44
Pentru lungimi de undă mai mici ca cea optimă core spunzătoare lui ωopt ,
lungimea de undă devenind mai mică ca lungimea unei spire, liniile câmpului
electromagnetic se vor închide în cadrul aceleași s pire, astfel că pe axul spirei câmpul
va fi mai mic.
Se observă totuși că există o bandă suficient de l argă (în limitele căreia câmpul
nu scade sub 0,7 Eopt) în care tubul poate funcționa cu o amplificare su ficient de mare.

Unda electromagnetică fiind progresivă, câmpul elec tromagnetic longitudinal Ez
, într-o secțiune oarecare a sistemului de întârzie re va aspectul din figura 2.16.c.
Electronii care vor intra în această secțiune în se miperioada pozitivă a câmpului Ez , se
vor deplasa în sensul liniilor (deoarece în spira u rmătoare se află semiperioada
negativă), deci vor fi frânați (1) cedând o parte d in energia lor cinetică undei
electromagnetice.
Electronii, care vor semiperioada negativă, vor fi accelerați (2) și deci vor
absorbi energia de la undă, atenuând-o.
Este evident acum că electronii vor suferi o modul ație de viteză, care îi
grupează, transformându-se apoi într-o modulație de densitate, pe măsură ce fascicolul 2 2 t 1 t 1
t0 v0 v0 t Ez 1 1
c) Gruparea electronilor a) Variația componentei E z + +

– – vf z Ez
λS λS / 2
Ez E z E z
Direcția de deplasare a fasciculului
de electroni Linie coaxială
spiral ă Ez ∆ω
A
B C
O ωopt ω
ωinf ωsup
b) Variația E z funcție de lungimea
de undă
Fig. 2.16. Funcționarea tubului cu undă progresivă

TUBURI ELECTRONICE SPECIALE PENTRU MICROUNDE 45
se apropie de ieșirea spirei. Locurile de formare a grupărilor de electroni corespund
locului, în care Ez trece prin zero de la o valoare acceleratoare la al ta de frânare (în
momentul t0).
Dacă v0 = v f după grupare electronii se vor deplasa sincron cu unda (care nu mai
exercită nici o influență asupra lor). Dacă însă se va asigura ca v0 > v f , grupurile de
electroni formate, având o viteză relativă ∆v = v0 – v f , se vor deplasa față de câmpul Ez
intrând într-o semiperioadă frânantă a acestuia, ce dând energia lor cinetică câmpului
electric, amplificându-l.
În momentul t 1 ,câmpul electric fiind maxim, va primi de la fasci cul energia
maximă și va suferi astfel amplificarea maximă. Rez ultă deci că unda va fi amplificată
doar dacă ∆v < ∆vM , pentru care grupurile de electroni nu se vor dep lasa pe timpul
deplasării fasciculului de electroni prin sistemul de întârziere, mai mult de ΛS/2 . În
caz contrar grupurile de electroni vor intra din no u într-un câmp accelerator și unda va
fi atenuată.
Deci

spS
Mtv2Λ=∆ (2.36)

unde t sp – timpul de tranzit al grupurilor de electroni pr in spirală.

Întrucât grupurile de electroni se deplasează cu v iteză medie v0

iar
spS
Msp
sp
lvvlt
20
Λ=∆=
(2.37)

sau ținându-se seama de expresiile parametrilor ΛS și v0 se obține



⋅⋅⋅=⋅⋅=∆scm
lKU
lU
Kv
spi sp iS
M07
0710965, 2
210931, 5λ (2.38)

Din această relație se observă că, viteza maximă a dmisă depinde de
dimensiunile spiralei și de tensiunea de accelerare U 0 . Viteza de fază a undei, funcție
de viteza medie a fasciculului este dată de relația :

Avvf⋅+=5 , 010 (2.39)

unde:

TEHNICA FRECVENȚELOR ÎNALTE 46

000
4UIRA= – parametrul de amplificare al tubului;
CLZc= – impedanța caracteristică a liniei coaxiale spira le;
L și C – inductanța și capacitatea distribuită a liniei
coaxiale spirale;

Pentru tuburile cu undă progresivă cu zgomote mici sunt dați parametrii:
R c ≈ 60 ÷ 120 Ω
I c ≈ 200 ÷ 400 mA – curentul fasciculului de electroni;
U 0 ≈ 200 ÷ 400 V
Astfel că:
A3 = 20 ⋅10 -6 iar A = 0,028
Din relația (2.39) se observă că viteza de fază va trebui să fie cu atât mai mică
față de v0, cu cât parametrul de amplificare va fi mai mare.
Analiza interacțiunii reciproce dintre undă și fas cicul arată că într-o linie
coaxială spirală cu fascicul electronic apar de fap t 4 unde (deci încă trei pe lângă cea
amplificată despre care s-a vorbit în cele de mai s us) în timp ce într-o linie obișnuită cu
conductor interior rectiliniu apar numai două (cea directă și cea reflectată). Două din
acestea se propagă în sensul deplasării fascicululu i : una este atenuată în măsura în care
este amplificată prima undă (având vf2 mai mare ca v0 cu aceeași mărime cu care vf1
este mai mică ca v0 ) iar cealaltă nu este nici amplificată și nici at enuată, având o viteză
de fază vf3 > v0 astfel încât, cedează tot atâta energie cât absoar be de la undă.
Cea de a treia undă suplimentară, se propagă în se ns invers fasciculului de
electroni și nu este nici amplificată nici atenuată . Aceasta constituie unda inversă, care
nu depinde însă de calitatea adaptării liniei coaxi ale spirale. Gradul de adaptare poate
modifica doar amplitudinea și faza acestei unde. Da că energia transportată de această
undă, este mai mare ca pierderile ce apar la propag area undei directe, amplificatorul va
intra în oscilație. Pentru atenuarea oscilațiilor, în tub se introduc garnituri și materiale
absorbante (agvadag) pe tijele de sticlă sau de cer amică care susțin spirala.
Din cele prezentate mai sus, rezultă că rolul semn alului de intrare, constă în
producerea șocului inițial, care produce modulația de viteză a fasciculului electronic.
Amplificare are loc pe seama transferului energiei cinetice a grupurilor de electroni
frânați, câmpului ce se propagă de-a lungul spirale i. Energia cinetică a electronilor,
depinde de valoarea sursei de alimentare U0.
Pentru funcționarea în regim de amplificare, tubul ui îi trebuie create condițiile
impuse de acest regim și analizate mai sus. De acee a, el este montat într-o armătură,
care conține sistemul de focalizare, dispozitivul d e susținere și centrare a tubului în
armături și dispozitivele de adaptare cu sursa de s emnal și cu sarcina.
Datorită posibilităților de amplificare liniară – dar și de demodulare – a
semnalelor mari pe care le oferă tuburile electroni ce cu undă progresivă pot fi folosite
în etajele finale ale emițătoarelor, în radiorelee sau în instalații pentru comunicații prin
sateliți.