Tubo de sutton
Un tubo de Sutton , o klystron reflejo , es un tipo de tubo de vacío que se utiliza para generar microondas . Es un dispositivo de bajo consumo que se utiliza principalmente para dos propósitos; uno es proporcionar una fuente de frecuencia de baja potencia sintonizable para los osciladores locales en los circuitos del receptor, y el otro, con modificaciones menores, como un interruptor que podría encender y apagar otra fuente de microondas. El segundo uso, a veces conocido como tubo suave de Sutton o interruptor de rumbatrón , fue un componente clave en el desarrollo del radar de microondas por Gran Bretaña durante la Segunda Guerra Mundial . Los interruptores de microondas de todos los diseños, incluidos estos, se conocen más generalmente comoTubos T / R o células T / R .
El tubo Sutton lleva el nombre de uno de sus inventores, Robert Sutton, un experto en diseño de tubos de vacío. Los diseños originales de klystron se habían desarrollado a fines de la década de 1930 en los EE. UU., Y se le pidió a Sutton que desarrollara una versión sintonizable. Desarrolló los primeros modelos a finales de 1940 mientras trabajaba en Admiralty Signals and Radar Establishment . Los tubos Sutton se utilizaron ampliamente en una variedad de formas durante la Segunda Guerra Mundial y durante la década de 1960. Desde entonces, su función ha sido asumida por dispositivos de estado sólido como el diodo Gunn , que comenzó a estar disponible en la década de 1970. "Rhumbatron" se refiere al diseño de la cavidad resonante que formaba parte de muchos klystrons, refiriéndose a la rumba debido al movimiento de baile de los electrones.
Concepto básico de klystron
Los klystrons comparten el concepto básico de que la salida de microondas se genera acelerando progresivamente y luego ralentizando los electrones en un espacio abierto rodeado por una cavidad resonante. Los diseños de klystron más fáciles de entender tienen dos cavidades.
La primera cavidad está conectada a una fuente de señal y está diseñada para resonar a la frecuencia deseada, llenando su interior con un campo eléctrico oscilante. Las dimensiones de la cavidad son función de la longitud de onda, la mayoría son cilindros planos con la forma de un disco de hockey de diferentes tamaños. Se perfora un agujero en el medio, en el centro del "disco". [1]
Una corriente de electrones disparada desde un cañón de electrones pasa a través del agujero, y el campo variable hace que se aceleren o desaceleren a medida que pasan. Más allá de la cavidad, los electrones acelerados alcanzan a los desacelerados, lo que hace que los electrones se agrupen en la corriente. Esto hace que la corriente vuelva a crear el patrón de la señal original en la densidad de los electrones. Esta área del tubo tiene que ser bastante larga para dar tiempo a que se complete este proceso. [2]
Luego, los electrones pasan a través de una segunda cavidad, similar a la primera. A medida que pasan, los racimos provocan que se induzca un campo eléctrico variable en la cavidad, recreando la señal original pero a una corriente mucho más alta. Un punto de toma en esta cavidad proporciona la salida de microondas amplificada. [2]
Osciladores locales
La introducción del magnetrón de cavidad provocó una revolución en el diseño de radares, generando grandes cantidades de energía a partir de un dispositivo compacto y fácil de construir. Sin embargo, también requirió varios desarrollos adicionales antes de que pudiera usarse.
Entre estos había un oscilador local adecuado de aproximadamente 45 MHz diferente de la señal del transmisor, que alimentaba la sección de frecuencia intermedia de los circuitos del receptor. [3] El problema era que la frecuencia del magnetrón variaba a medida que se calentaba y enfriaba, lo suficiente como para que se necesitara algún tipo de fuente de microondas sintonizable cuya frecuencia se pudiera ajustar para que coincidiera. Un segundo magnetrón no funcionaría, no se sincronizarían. [4]
Como el circuito del receptor requiere muy poca potencia de salida, el klystron, presentado por primera vez solo dos años antes, fue una elección natural. A Sutton, un conocido experto en diseño de tubos, se le preguntó si podía proporcionar una versión que pudiera sintonizarse en el mismo rango que la deriva del magnetrón. [5] Un modelo inicial disponible en 1940 permitió la puesta a punto con cierto esfuerzo. Si bien funcionó, no era adecuado para un sistema operativo. Sutton y Thompson continuaron trabajando en el problema y entregaron una solución en octubre de 1940. [3] Thompson lo nombró en honor a Sutton, mientras que Sutton se refirió a él como el Tubo de Thompson. [6] El primero se atascó.
Su avance consistió en utilizar un solo resonador y una disposición física inteligente para proporcionar el mismo efecto que dos cavidades. Lo hizo colocando un segundo electrodo en el extremo más alejado del tubo, el "reflector" o "repelente", que provocó que los electrones giraran y comenzaran a fluir hacia la pistola, similar al tubo de Barkhausen-Kurz . Al cambiar el voltaje del reflector en relación con la pistola, la velocidad de los electrones cuando alcanzaron la cavidad por segunda vez podría ajustarse, dentro de ciertos límites. La frecuencia era una función de la velocidad de los electrones, proporcionando la función de sintonización. [5]
Esta modificación dobló efectivamente el klistrón por la mitad, con la mayor parte de la "acción" en el centro del tubo, donde se ubicaban la entrada y la salida de la única cavidad. Además, solo el interior de la cavidad estaba dentro del tubo, la superficie exterior tenía la forma de una carcasa metálica envuelta alrededor del tubo. Se podrían realizar cambios más importantes en la frecuencia reemplazando la carcasa exterior, y esto también proporcionó una ubicación conveniente para el montaje. [5]
Desafortunadamente, el sistema necesitaba dos fuentes de alimentación de alto voltaje, una para la aceleración inicial en la pistola y una segunda entre la pistola y el reflector. Y, debido a la forma en que funcionaba, el sistema generalmente se limitaba a milivatios de potencia. [ cita requerida ]
Tubo suave de Sutton
Una de las ventajas de usar microondas para radar es que el tamaño de una antena se basa en la longitud de onda de la señal y, por lo tanto, las longitudes de onda más cortas requieren antenas mucho más pequeñas. Esto fue de vital importancia para los sistemas de radar aerotransportados. Los aviones alemanes, que utilizaban longitudes de onda más largas, requerían antenas enormes que ralentizaban el avión entre 25 y 50 km / h debido a la resistencia. [7] Las microondas requerían antenas de solo unos pocos centímetros de largo y podían caber fácilmente dentro de la nariz del avión.
Esta ventaja se vio compensada por la falta de un sistema de conmutación que permita que una sola antena actúe como transmisor y receptor. Este no es siempre un problema importante; el sistema Chain Home se conformó con dos juegos de antenas, al igual que los primeros radares aerotransportados como el Mk. IV . En 1940, Bernard Lovell desarrolló una solución para el radar de microondas colocando dos juegos de dipolos frente a un plato parabólico común y colocando un disco de lámina metálica entre ellos. Sin embargo, esto no tuvo mucho éxito, y los diodos de cristal utilizados como detectores se quemaron con frecuencia cuando la señal se filtró a través o alrededor del disco. [8] Una solución que utiliza dos chispasTambién se utilizaron tubos, pero fue menos que ideal. [9]
Arthur H. Cooke, del Laboratorio de Clarendon , sugirió una solución mejor , y HWB Skinner se ocupó del desarrollo de la producción junto con AG Ward y AT Starr en el Telecommunications Research Establishment . [9] Tomaron un tubo Sutton y desconectaron el cañón de electrones y el reflector, dejando solo la cavidad. Este se llenó con un gas diluido, inicialmente helio o hidrógeno , [10] pero finalmente se depositó en una pequeña cantidad de vapor de agua y argón. [11]
Cuando se veía la señal de transmisión en la entrada, el gas se ionizaba rápidamente (ayudado por una bobina calefactora o radio). [12] Los electrones libres en el plasma presentaban una fuente de impedancia casi perfecta, bloqueando el flujo de la señal hacia la salida. Tan pronto como se detuvo la transmisión, el gas se desionizó y la impedancia desapareció muy rápidamente. [10] Los diminutos ecos causados por los reflejos del objetivo, que llegaron microsegundos más tarde, eran demasiado pequeños para causar la ionización y permitieron que la señal llegara a la salida. [3]
El tubo Sutton suave utilizable llegó en marzo de 1941 y se puso en producción como CV43. [3] Se utilizó por primera vez como parte del AI Mk. VII radar , el primer radar de microondas de producción para aviones. [10] El sistema fue ampliamente utilizado a partir de entonces, apareciendo en casi todos los radares de microondas aerotransportados, incluido el radar H2S y el radar ASV Mark III . [10]
La inteligencia de la posguerra reveló que los alemanes estaban desconcertados por el propósito del suave tubo Sutton. Varios ejemplos cayeron en sus manos, especialmente en el Rotterdam Gerät , un H2S que fue capturado de forma bastante completa en febrero de 1943. Las entrevistas con ingenieros de radar alemanes después de la guerra demostraron que no podían entender el propósito del tubo sin alimentación. [9]
El tubo suave de Sutton se usó en un circuito conocido como "interruptor T / R" (o muchas variaciones sobre ese tema). Se habían utilizado otros tubos de chispa para este propósito, en un diseño conocido como "Branch- Duplexer ". Consistía en dos longitudes cortas de guía de ondas de aproximadamente 1/4 de longitud de onda, que se encendían cuando llegaba la señal. Debido a la geometría del diseño, los dos caminos dieron como resultado un reflejo de la señal. [13]Los tubos Sutton se utilizaron en un diseño más simple conocido como "circuito de derivación de derivación", que tenía forma de T con el transmisor y la antena ubicados en cada extremo de la parte horizontal de la T, y el receptor en el extremo de la parte vertical. Al ubicar el tubo Sutton en la ubicación correcta a lo largo de la guía de ondas hasta el receptor, se podría lograr el mismo efecto que el duplexor de rama. [14] [15]
Referencias
Citas
- ^ Caryotakis 1998 , p. 3.
- ↑ a b Caryotakis 1998 , págs. 1-2.
- ↑ a b c d Watson , 2009 , p. 146.
- ^ "Teoría de funcionamiento del magnetrón" , p. 3.
- ↑ a b c Lovell , 1991 , p. 61.
- ^ Reg Batt, "El ejército de radar: ganando la guerra de las ondas" , Hale, 1991, p. 61.
- ^ Jean-Denis GG Lepage, "Aviones de la Luftwaffe, 1935-1945" , McFarland, 2009, p. 61.
- ^ Lovell 1991 , p. 62.
- ↑ a b c Hodgkin , 1994 , p. 192.
- ↑ a b c d Lovell , 1991 , p. 63.
- ^ Watson 2009 , p. 165.
- ^ Robert Buderi, "La invención que cambió el mundo" , Touchstone, 1998, p.118.
- ^ Christian Wolff, "Duplexor de sucursales"
- ^ CG Montgomery, "Duplexores de microondas" , MIT
- ^ AL Samuel, JW Clark y WW Mumford, "El conmutador de transmisión y recepción de descarga de gas" , Bell System Technical Journal , 1946, p. 54.
Bibliografía
- Hodgkin, Alan (1994). Azar y diseño: reminiscencias de la ciencia en la paz y la guerra . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780521456036.
- Watson, Jr., Raymond (2009). Orígenes del radar en todo el mundo . Publicación de Trafford. ISBN 9781426991561.
- Lovell, Bernard (1991). Echoes of War: La historia del radar H2S . Prensa CRC. ISBN 9780852743171.
- Caryotakis, George (abril de 1998). "El Klystron: una fuente de microondas de sorprendente alcance y resistencia" (PDF) . Centro acelerador lineal de Stanford .
Otras lecturas
- "El interruptor de guía de ondas de rumbatrón" Revista de la Institución de Ingenieros Eléctricos - Parte IIIA: Radiolocalización , Volumen 93 Número 4 (1946), págs. 700–702
- AL Samuel, JW Clark y WW Mumford, "El interruptor de transmisión y recepción de descarga de gas" , Bell System Technical Journal , 1946, págs. 48-101.
enlaces externos
- NR89 Sutton Tube , un oscilador local
- CV43 , un interruptor Sutton
- Tecnología de microondas
- Tubos de vacio
