Un oscilador de onda hacia atrás ( BWO ), también llamado carcinotrón (un nombre comercial de los tubos fabricados por CSF , ahora Thales ) o tubo de onda hacia atrás , es un tubo de vacío que se utiliza para generar microondas hasta el rango de terahercios . Perteneciente a la familia de tubos de ondas viajeras , es un oscilador con un amplio rango de sintonización electrónica.
Un cañón de electrones genera un haz de electrones que interactúa con una estructura de onda lenta. Mantiene las oscilaciones propagando una onda viajera hacia atrás contra el rayo. La energía de onda electromagnética generada tiene su velocidad de grupo dirigida de manera opuesta a la dirección de movimiento de los electrones. La potencia de salida se acopla cerca del cañón de electrones.
Tiene dos subtipos principales, el tipo M ( M-BWO ), el más potente y el tipo O ( O-BWO ). La potencia de salida del tipo O está típicamente en el rango de 1 mW a 1000 GHz a 50 mW a 200 GHz . Los carcinotrones se utilizan como fuentes de microondas potentes y estables. Debido al frente de onda de buena calidad que producen (ver más abajo), encuentran uso como iluminadores en imágenes de terahercios .
Los osciladores de onda hacia atrás fueron demostrados en 1951, el tipo M por Bernard Epsztein [1] y el tipo O por Rudolf Kompfner . El BWO de tipo M es una extrapolación no resonante controlada por voltaje de la interacción del magnetrón . Ambos tipos se pueden sintonizar en una amplia gama de frecuencias variando el voltaje de aceleración . Pueden ser barridos a través de la banda lo suficientemente rápido para que parezcan irradiar sobre toda la banda a la vez, lo que los hace adecuados para interferencias de radar efectivas , sintonizando rápidamente la frecuencia del radar. Los carcinotrones permitieron que los bloqueadores de radar aerotransportados fueran altamente efectivos. Sin embargo, los radares de frecuencia ágil pueden saltar frecuencias lo suficientemente rápido como para obligar al bloqueador a utilizar la interferencia de barrera , diluyendo su potencia de salida en una banda ancha y afectando significativamente su eficiencia.
Los carcinotrones se utilizan en investigación, aplicaciones civiles y militares. Por ejemplo, los sistemas de detección de defensa aérea con sensor pasivo Kopac checoslovaco y sensor pasivo Ramona emplearon carcinotrones en sus sistemas receptores.
Concepto basico
Todos los tubos de ondas viajeras funcionan de la misma manera general y difieren principalmente en los detalles de su construcción. El concepto depende de un flujo constante de electrones de un cañón de electrones que viaja por el centro del tubo (ver diagrama conceptual adyacente ). Alrededor del haz de electrones hay una especie de señal de fuente de radiofrecuencia ; en el caso del klystron tradicional se trata de una cavidad resonante alimentada con una señal externa, mientras que en los dispositivos más modernos hay una serie de estas cavidades o un alambre metálico helicoidal alimentado con la misma señal. [2]
A medida que los electrones viajan por el tubo, interactúan con la señal de RF. Los electrones son atraídos por áreas con máxima polarización positiva y repelidos por áreas negativas. Esto hace que los electrones se agrupen a medida que son repelidos o atraídos a lo largo del tubo, un proceso conocido como modulación de velocidad . Este proceso hace que el haz de electrones adopte la misma estructura general que la señal original; la densidad de los electrones en el haz coincide con la amplitud relativa de la señal de RF en el sistema de inducción. La corriente de electrones es una función de los detalles de la pistola, y generalmente es órdenes de magnitud más poderosa que la señal de RF de entrada. El resultado es una señal en el haz de electrones que es una versión amplificada de la señal de RF original. [2]
A medida que los electrones se mueven, inducen un campo magnético en cualquier conductor cercano. Esto permite extraer la señal ahora amplificada. En sistemas como el magnetrón o el klistrón, esto se logra con otra cavidad resonante. En los diseños helicoidales, este proceso ocurre a lo largo de toda la longitud del tubo, reforzando la señal original en el conductor helicoidal. El "problema" de los diseños tradicionales es que tienen anchos de banda relativamente estrechos; Los diseños basados en resonadores funcionarán con señales dentro del 10% o 20% de su diseño, ya que esto está físicamente integrado en el diseño del resonador, mientras que los diseños de hélice tienen un ancho de banda mucho más amplio , quizás el 100% a cada lado del pico de diseño. [3]
BWO
El BWO está construido de manera similar al TWT helicoidal. Sin embargo, en lugar de que la señal de RF se propague en la misma (o similar) dirección que el haz de electrones, la señal original viaja en ángulo recto con el haz. Esto normalmente se logra perforando un orificio a través de una guía de ondas rectangular y disparando el rayo a través del orificio. Luego, la guía de ondas realiza dos giros en ángulo recto, formando una forma de C y cruzando el rayo nuevamente. Este patrón básico se repite a lo largo del tubo para que la guía de ondas atraviese el haz varias veces, formando una serie de formas en S. [2]
La señal de RF original ingresa desde lo que sería el extremo más alejado del TWT, donde se extraería la energía. El efecto de la señal en el haz de cruce causa el mismo efecto de modulación de velocidad, pero debido a la dirección de la señal de RF y las características específicas de la guía de ondas, esta modulación viaja hacia atrás a lo largo del haz, en lugar de hacia adelante. Esta propagación, la onda lenta , llega al siguiente orificio de la guía de ondas plegada al igual que lo hace la misma fase de la señal de RF. Esto provoca una amplificación al igual que el TWT tradicional. [2]
En un TWT tradicional, la velocidad de propagación de la señal en el sistema de inducción tiene que ser similar a la de los electrones en el haz. Esto es necesario para que la fase de la señal se alinee con los electrones agrupados a medida que pasan por los inductores. Esto pone límites a la selección de longitudes de onda que el dispositivo puede amplificar, según la construcción física de los cables o cámaras resonantes. [2]
Este no es el caso en el BWO, donde los electrones pasan la señal en ángulo recto y su velocidad de propagación es independiente de la de la señal de entrada. La guía de ondas serpentina compleja impone límites estrictos al ancho de banda de la señal de entrada, de modo que se forma una onda estacionaria dentro de la guía. Pero la velocidad de los electrones está limitada solo por los voltajes permitidos aplicados al cañón de electrones, que pueden cambiarse fácil y rápidamente. Por tanto, el BWO toma una sola frecuencia de entrada y produce una amplia gama de frecuencias de salida. [2]
Carcinotrón
Al dispositivo se le dio originalmente el nombre de "carcinotrón" porque era como un cáncer para los sistemas de radar existentes . Simplemente cambiando el voltaje de suministro, el dispositivo podría producir cualquier frecuencia requerida en una banda que era mucho más grande de lo que cualquier amplificador de microondas existente podría igualar: el magnetrón de cavidad funcionaba a una sola frecuencia definida por las dimensiones físicas de sus resonadores, y mientras el klystron amplificó una señal externa, solo lo hizo de manera eficiente dentro de un pequeño rango de frecuencias. [2]
Anteriormente, bloquear un radar era una operación compleja y que requería mucho tiempo. Los operadores tenían que escuchar las posibles frecuencias que se estaban utilizando, configurar uno de un banco de amplificadores en esa frecuencia y luego comenzar a transmitir. Cuando la estación de radar se diera cuenta de lo que estaba sucediendo, cambiarían sus frecuencias y el proceso comenzaría de nuevo. Por el contrario, el carcinotrón podía barrer todas las frecuencias posibles con tanta rapidez que parecía ser una señal constante en todas las frecuencias a la vez. Los diseños típicos podrían generar cientos o miles de vatios, por lo que en cualquier frecuencia, la estación de radar podría recibir unos pocos vatios de potencia. Sin embargo, a larga distancia, la cantidad de energía de la transmisión de radar original que llega a la aeronave es de solo unos pocos vatios como máximo, por lo que el carcinotrón puede dominarlos. [2]
El sistema era tan poderoso que se descubrió que un carcinotrón que operaba en un avión comenzaría a ser efectivo incluso antes de que se elevara por encima del horizonte del radar . A medida que pasaba por las frecuencias, emitía en la frecuencia de funcionamiento del radar en momentos efectivamente aleatorios, llenando la pantalla con puntos aleatorios cada vez que la antena apuntaba cerca de ella, quizás 3 grados a cada lado del objetivo. Había tantos puntos que la pantalla simplemente se llenó de ruido blanco en esa área. A medida que se acercaba a la estación, la señal también comenzaría a aparecer en los lóbulos laterales de la antena , creando más áreas que quedarían en blanco por el ruido. A corta distancia, del orden de 100 millas (160 km), toda la pantalla del radar estaría completamente llena de ruido, dejándola inútil. [2]
El concepto era tan poderoso como un bloqueador que había serias preocupaciones de que los radares terrestres fueran obsoletos. Los radares aerotransportados tenían la ventaja de que podían acercarse a la aeronave que transportaba el bloqueador y, eventualmente, la enorme salida de su transmisor "quemaría" el bloqueo. Sin embargo, los interceptores de la época dependían de la dirección terrestre para ponerse en rango, utilizando radares terrestres. Esto representó una enorme amenaza para las operaciones de defensa aérea. [4]
Para los radares terrestres, la amenaza se resolvió finalmente de dos maneras. La primera fue que los radares se actualizaron para operar en muchas frecuencias diferentes y cambiar entre ellas aleatoriamente de pulso a pulso, un concepto ahora conocido como agilidad de frecuencia . Algunas de estas frecuencias nunca se utilizaron en tiempos de paz y eran muy secretas, con la esperanza de que el interferente no las conociera en tiempos de guerra. El carcinotrón aún podría barrer toda la banda, pero luego estaría transmitiendo en la misma frecuencia que el radar solo en momentos aleatorios, reduciendo su efectividad. La otra solución fue agregar receptores pasivos que se triangulan en las transmisiones del carcinotrón, lo que permite que las estaciones terrestres produzcan información de seguimiento precisa sobre la ubicación del bloqueador y que puedan ser atacadas. [4]
La estructura de onda lenta
Las estructuras de onda lenta necesarios deben soportar una frecuencia de radio (RF) de campo eléctrico con un componente longitudinal; las estructuras son periódicas en la dirección del haz y se comportan como filtros de microondas con bandas de paso y bandas de parada. Debido a la periodicidad de la geometría, los campos son idénticos de una celda a otra excepto por un cambio de fase constante Φ. Este cambio de fase, un número puramente real en una banda de paso de una estructura sin pérdidas, varía con la frecuencia. Según el teorema de Floquet (ver teoría de Floquet ), el campo eléctrico de RF E (z, t) se puede describir a una frecuencia angular ω, mediante la suma de una infinidad de "armónicos espaciales o espaciales" E n
donde el número de onda o constante de propagación k n de cada armónico se expresa como
- k n = (Φ + 2nπ) / p (-π <Φ <+ π)
siendo z la dirección de propagación, p el tono del circuito yn un número entero.
Se muestran dos ejemplos de características de circuito de onda lenta, en el diagrama ω-k o Brillouin :
- en la figura (a), el fundamental n = 0 es un armónico de espacio hacia adelante (la velocidad de fase v n = ω / k n tiene el mismo signo que la velocidad de grupo v g = dω / dk n ), la condición de sincronismo para la interacción hacia atrás es en el punto B, intersección de la línea de pendiente v e - la velocidad del haz - con el primer armónico espacial hacia atrás (n = -1),
- en la figura (b) la fundamental (n = 0) está al revés
Una estructura periódica puede admitir armónicos espaciales hacia adelante y hacia atrás, que no son modos del campo y no pueden existir de forma independiente, incluso si un haz se puede acoplar a solo uno de ellos.
Como la magnitud de los armónicos espaciales disminuye rápidamente cuando el valor de n es grande, la interacción puede ser significativa solo con el fundamental o el primer armónico espacial.
BWO tipo M
El carcinotrón de tipo M , u oscilador de onda hacia atrás de tipo M , utiliza el campo eléctrico estático cruzado E y el campo magnético B, similar al magnetrón , para enfocar un haz de hoja de electrones que se desplaza perpendicularmente a E y B, a lo largo de un circuito de onda lenta con una velocidad E / B. La interacción fuerte ocurre cuando la velocidad de fase de un armónico espacial de la onda es igual a la velocidad del electrón. Ambos componentes E z y E y del campo de RF están involucrados en la interacción (E y paralela al campo E estático). Los electrones que se encuentran en un campo eléctrico E z en desaceleración de la onda lenta, pierden la energía potencial que tienen en el campo eléctrico estático E y alcanzan el circuito. El único electrodo es más negativo que el cátodo, para evitar recoger aquellos electrones que han ganado energía al interactuar con el armónico espacial de onda lenta.
BWO tipo O
El carcinotrón de tipo O , o oscilador de onda hacia atrás de tipo O , utiliza un haz de electrones enfocado longitudinalmente por un campo magnético y un circuito de onda lenta que interactúa con el haz. Un colector recoge la viga al final del tubo.
Pureza espectral y ruido O-BWO
El BWO es un oscilador sintonizable de voltaje, cuya tasa de sintonización de voltaje está directamente relacionada con las características de propagación del circuito. La oscilación comienza en una frecuencia en la que la onda que se propaga en el circuito es sincrónica con la onda de carga espacial lenta del haz. Inherentemente, el BWO es más sensible que otros osciladores a las fluctuaciones externas. Sin embargo, se ha demostrado su capacidad para estar bloqueado en fase o frecuencia, lo que lleva a un funcionamiento exitoso como oscilador local heterodino.
Estabilidad de frecuencia
La sensibilidad frecuencia-voltaje, viene dada por la relación
- f / f = 1/2 [1 / (1 + | v Φ / v g |)] ( V 0 / V 0 )
La frecuencia de oscilación también es sensible a la corriente del haz (llamado "empuje de frecuencia"). Las fluctuaciones de corriente a bajas frecuencias se deben principalmente al suministro de voltaje del ánodo, y la sensibilidad al voltaje del ánodo viene dada por
- f / f = 3/4 [ω q / ω / (1 + | v Φ / v g |)] ( V a / V a )
Esta sensibilidad, en comparación con la sensibilidad al voltaje del cátodo, se reduce en la relación ω q / ω, donde ω q es la frecuencia angular del plasma; esta razón es del orden de unas pocas veces 10 −2 .
Ruido
Las mediciones de BWO de ondas submilimétricas (de Graauw et al., 1978) han demostrado que se podría esperar una relación señal / ruido de 120 dB por MHz en este rango de longitud de onda. En la detección heterodina usando un BWO como oscilador local, esta cifra corresponde a una temperatura de ruido agregada por el oscilador de solo 1000-3000 K.
Notas
- ^ Patente FR 1035379 , Bernard Epsztein, "Dispositivos de ondas viajeras de flujo inverso", publicada el 31 de marzo de 1959
- ^ a b c d e f g h i j Principios de microondas . Nosotros marina de guerra. Septiembre de 1998. p. 103.
- ^ Gilmour, AS (2011). Klistrones, tubos de ondas viajeras, magnetrones, amplificadores de campo cruzado y girotrones . Casa Artech. págs. 317-18. ISBN 978-1608071852.
- ^ a b Morris, Alec (1996). "Sistema de informes y control del Reino Unido desde el final de la Segunda Guerra Mundial hasta ROTOR y más allá". En Hunter, Sandy (ed.). Defendiendo los cielos del norte . Sociedad Histórica de la Real Fuerza Aérea. págs. 105-106.
Referencias
- Johnson, HR (1955). Osciladores de onda hacia atrás. Actas de la IRE, 43 (6), 684–697.
- Ramo S., Whinnery JR, Van Duzer T. - Campos y ondas en la electrónica de la comunicación (3.a edición, 1994) John Wiley & Sons
- Kantorowicz G., Palluel P. - Osciladores de onda hacia atrás, en Ondas infrarrojas y milimétricas, Vol 1, Cap. 4, K. Button ed., Academic Press 1979
- de Graauw Th., Anderegg M., Fitton B., Bonnefoy R., Gustincic JJ - 3rd Int. Conf. Submm. Waves, Universidad Guilford de Surrey (1978)
- Convierta G., Yeou T., en ondas milimétricas y submilimétricas, cap. 4, (1964) Illife Books, Londres
enlaces externos
- Museo de válvulas virtuales Thomson CSF CV6124