مقاله در مورد بررسی لامپ‌های پرقدرت مورد استفاده در رادار از نظر پهنای باند ، قدرت ، بهره ، راندمان و غیره

بخشی از مقاله

چكيـده:

اين مقاله تحقيقي در مورد بررسي لامپ‌هاي پرقدرت مورد استفاده در رادار از نظر پهناي باند، قدرت، بهره ، راندمان و غيره مي‌باشد.

در فصل اول با مطالعه روي لامپ‌هاي با ميدان متقاطع (M- Type) و توصيف انواع آن پيشرفت‌هاي اخير در اين زمينه را ارئه نموده است.

در فصل دوم به بررسي لامپ‌هاي با پرتو خطي (O-Type) و انواع مختلف آن و بررسي عمكرد تك‌تك آنها و آخرين تكنولوژي روز جهان پرداخته شده است.

فصل اول
لامپ‌هاي با ميدان متقاطع
(Cross - Field) مايكروويوي (M-Type)

مقدمه
در لامپ‌هاي با ميدان متقاطع (Cross Fielde) ميدان مغناطيسي dc و ميدان الكتريكي dc بر يكديگر عمودند. در همه لامپ‌هاي CF ميدان مغناطيسي dc نقش مستقيمي در فرآيند اندركنشي RF ايفا مي‌كند.
لامپ‌هاي CF نامشان را از اين حقيقت كه ميدان الكتريكي dc و ميدان مغناطيسي dc بر يكديگر عمودند گرفته‌اند. در لامپ CF الكترونهايي كه توسط كاتد ساطع مي‌شوند بوسيله ميدان الكتريكي شتاب داده مي‌شوند و سرعت مي‌گيرند. اما همانطور كه با ادامه مسير سرعتشان بيشتر

مي‌شود توسط ميدان مغناطيسي خم مي‌شوند. اگر يك ميدان RF در مدار آند به كار برده شود الكترون‌هايي كه در طي اعمال ميدان كاهنده وارد مدار شوند كند مي‌شوند و مقداري از انرژي خود را به ميدان RF مي‌دهند. در نتيجه سرعتشان كاهش مي‌يابد و اين الكترونهاي با سرعت كمتر در ميدان الكتريكي dc كه به ميزان كافي دور هست تا ضرورتاً همان سرعت قبلي را دوباره بدست

بياورند طي مسير مي‌كنند. بدليل كنش اندركنش‌هاي ميدان متقاطع فقط آن الكترون‌هايي كه انرژي كافي به ميدان RF داده‌اند مي‌توانند تمام مسير تا آند را طي كنند. اين خصيصه لامپ‌هاي CF را نسبتاً مفيد مي‌سازد. آن الكترونهايي كه در طي اعمال ميدان شتاب‌دهنده وارد مدار مي‌شوند بر حسب دريافت انرژي كافي از ميدان RF شتاب داده مي‌شوند و به سمت كاتد باز مي‌گردند. اين بمباران برگشتي در كاتد گرما ايجاد مي‌كند و راندمان كار را كاهش مي‌دهد.

در اين فصل چندين لامپ CF را كه عموماً به كار برده مي‌شوند مورد مطالعه قرار مي‌دهيم.

1- اسيلاتورهاي مگنترون
Hull در سال 1921 مگنترون را اختراع كرد. اما اين وسيله تاحدود دهه 1940 تنها يك وسيله آزمايشگاهي جالب بود. در طول جنگ جهاني دوم نيازي فوري به مولدهاي ماكروويوي پرقدرت براي فرستنده‌هاي رادار منجر به توسعه سريع مگنترون شد. همه مگنترون‌ها شامل بعضي اشكال آند و كاتد كه در يك ميدان مغناطيسي در ميان يك ميدان الكتريكي بين آند و كاتد كار مي‌كنند مي‌باشند. به دليل ميدان تقاطع بين آندو كاتد الكترون‌هايي كه از كاتد ساطع مي‌شوند تحت‌تأثير ميدان متقاطع مسيرهايي منحني‌شكل را طي مي‌كنند.

اگر ميدان مغناطيسي dc به اندازه كافي قوي باشد الكترون‌ها به آند نخواهند رسيد ولي درعوض به كاتد باز مي‌گردند. در نتيجه جريان آند قطع مي‌شود. مگنترون‌ها را مي‌تان به سه نوع طبقه‌بندي كرد:

1) مگنترون با آند دو نيم شده
اين نوع مگنترون از يك مقاومت منفي بين دو قسمت آند استفاده مي‌كند.

2) مگنترون سيكلوترون فركانس
اين نوع مگنترون تحت تأثير عمل سنكرون كردن يك جزء متناوب ميدان الكتريكي و نوسان پريوديك الكترون‌ها در يك مسير مستقيم با ميدان عمل مي‌كند.

3) مگنترون موج رونده
اين نوع مگنترون به اندركنش الكترون‌ها با ميدان الكترومغناطيسي رونده با سرعت خطي بستگي دارد. اين نوع از لامپها به صورت ساده به عنوان مگنترون ناميده مي‌شود.

مگنترون‌ها با مقاومت منفي معمولاً در فركانس‌هاي زير ناحيه مايكروويوي كار مي‌كنند. اگرچه مگنترون‌هاي سيكلوترون فركانس در فركانس ناحيه مايكروويوي كار مي‌كنند، قدرت خروجي آنها بسيار كم است (حدود 1 وات در GHZ 3) و راندمان آنها بسيار كم است. (حدود 10% در نوع آند دونيم شده و 1% در نوع تك‌آندي) بنابراين دو نوع اول مگنترون‌ها در اين نوشتار مورد توجه نيستند.
مگنترون‌هاي استوانه‌اي
دياگرام شماتيكي اسيلاتور مگنترون استوانه‌اي در شكل زير نشان داده مي‌شود. اين نوع مگنترون، مگنترون قراردادي نيز ناميده مي‌شود.

در مگنترون استوانه‌اي چندين حفره به شكاف‌ها متصل شده‌اند و ولتاژ dc V0 بين كاتد و آند اعمال مي‌شود. چگالي شار مغناطيسي B0 در راستاي محور Z است. وقتي كه ولتاژ dc و شار مغناطيسي به درستي تنظيم شوند الكترون‌ها مسيرهاي دايروي را در فضاي آند- كاتد تحت نيروي تركيبي ميدان الكتريكي و مغناطيسي طي مي‌كند.

براي سالهاي بسيار مگنترون‌ها منابع پرقدرتي در فركانس‌هايي به بزرگي GHZ 70 بوده‌اند. رادار نظامي از مگنترون‌هاي موج رونده قراردادي براي توليد پالس‌هاي RF با پيك قدرت بالا استفاده مي‌كند. هيچ‌وسيله مايكروويوي ديگري نمي‌تواند همانطور كه مگنترون‌هاي قراردادي مي‌توانند عمل مگنترون را با همان اندازه، وزن، ولتاژ و محدوده راندمان انجام دهد. در حال حاضر، مگنترون مي‌تواند پيك قدرت خروجي تا KW 800 مي‌رسد. راندمان بسيار بالاست و از 40 تا 70% تغيير مي‌كند.

مگنترون كواكسيالي
مگنترون كواكسيالي از تركيب يك ساختار رزوناتوري آند كه توسط يك حفره با Q بالا كه در مورد TE011 كار مي‌كنند احاطه شده است تشكيل شده است.

شيارهايي كه در پشت ديواره حفره‌هاي متناوب ساختار رزوناتوري آند قرار دارند به طور محكمي ميدان‌هاي الكتريكي اين رزوناتورها را با حفره احاطه‌كننده كوپل مي‌كنند. در عمل مود ميدان‌هاي الكتريكي در همه حفره‌هاي ديگر هم فاز هستند و بنابراين آنها در جهت يكسان با حفره احاطه‌كننده كوپل مي‌شوند. در نتيجه حفره كواكسيالي محيطي مگنترون را در مورد مطلوب تثبيت مي‌كند. در مورد TE011 مطلوب ميدان‌هاي الكتريكي مسيري دايروي را در داخل حفره طي مي‌كنند و در ديواره‌هاي حفره به صفر كاهش مي‌يابند. جريان در مورد TE011 در ديواره‌هاي حفر

ه در مسيرهاي دايروي حول محور لامپ جريان دارند. مودهاي غيرمطلوب توسط تضعيف‌كننده در داخل استوانه داخلي شياردار نزديك انتهاهاي شيارهاي كوپلينگ ميرا مي‌شوند. مكانيزم تنظيم ساده و قابل اعتماد است. رزوناتور آند مگنترون كواكسيالي مي‌تواند بزرگتر و با پيچيدگي كمتري نسبت به مگنترون قراردادي باشد. بنابراين بارگذاري كاتد كمتر است و شيب‌هاي ولتاژ كاهش داده مي‌شوند.

1-2-1- مگنترون‌هاي كواكسيالي شركت Litton

Product Number Band Frequency GHz Peak Power Kw Duty Cycle
L-4570 C 5.4-5.88 250 0.0013
L-4469 X 8.5-9.6 200 0.001
L-4936 X 7.8-8.5 20 0.0012
L-4972 X 8.5-9.6 20 0.0012
L-4575 X 8.5-9.6 200 0.001
L-4593 X 8.5-9.6 250 0.0005

L-4590 X 8.7-9.4 200 0.001
L-4770 X 9.0-9.16 70 0.00066
L-4791 X 9.0-9.2 80 0.0011
L-4581 X 9.0-9.6 220 0.001
L-4979 X 9.05-10.0 100 0.001
L-4666 X 9.16-9.34 350 0.001
L-4583 A X 9.2-9.55 200 0.001
L-5190 X 9.24 90 0.001
L-5362 B X 9.345 10 0.001
L-5274 B X 9.345 7.5 0.001
L-4652 B X 9.345 8.7 0.001
L-4704 X 9.345 8.7 0.001

مگنترون با قابليت تنظيم ولتاژ
مگنترون با قابليت تنظيم ولتاژ يك اسيلاتور باند وسيع با فركانس متغير با تغيير ولتاژ اعمال شده بين آندوسل است. همانطور كه در شكل زير نشان داده مي‌شود پرتو الكتريكي از يك كاتد استوانه‌اي كوتاه از يك انتهاي دستگاه ساطع مي‌شود.
الكترون‌ها توسط ميدان‌هاي الكتريكي مغناطيس به شكل يك پرتو توخالي درمي‌آيند و سپس به طور اساسي از كاتد به بيرون فرستاده مي‌شود. سپس پرتو الكتروني به ناحيه بين سل و كاتد وارد مي‌شوند. پرتو با سرعتي كه توسط ميدان مغناطيسي محوري و ولتاژ dc اعمال شده بين آند و سل كنترل مي‌شود حول سل مي‌گردد.

مگنترون با ولتاژ قابل تنظيم از يك رزوناتور با Q كم استفاده مي‌كند و پهناي باند آن در سطوح قدرت كم از 50% تجاوز مي‌كند. در مورد ، فرآيند دسته‌شدن پرتو توخالي در رزوناتور رخ مي‌دهد و فركانس نوسان توسط سرعت چرخشي پرتو الكتروني تعيين مي‌شود. به عبارت ديگر فركنش نوسان را مي‌توان با تغيير ولتاژ dc اعمال شده بين آند و سل كنترل كرد.
در سطوح قدرت بالا و فركانس‌هاي بالا درصد پهناي باند محدود است، در حاليكه در سطوح قدرت كم و فركانس‌هاي بالا پهناي باند ممكن است به 70% برسد.

1-3-1- مگنترون قابل تنظيم ساخت شركت TMD
Duty Cycle Max Tuning Range MHZ پيك قدرت KW فركانس GHZ
001/0 1000 200 5/9-5/8
0015/0 50 100 2/9-9
0015/0 200 100 5/9-1/9
0015/0 200 100 4/9-3/9

2-3-1- مگنترون با فركانس ثابت ساخت شركت TMD
Duty Cycle Max پيك قدرت KW فركانس GHZ

001/0 3 24/9-21/9
0015/0 100 27/9-22/9
001/0 100 39/9-35/9
0015/0 50 17-16

مگنترون كواكسيالي معكوس
مگنترون را مي‌توان با آند و كاتد معكوس ساخت. يعني اينكه كاتد آند را احاطه كند. در مگنترون كواكسيالي معكوس حفره در داخل يك استوانه شياردار قرار مي‌گيرد و آرايه پره رزوناتور در خارج آن قرار گرفته است. كاتد يك حلقه حول آند تشكيل مي‌دهد. شكل زير دياگرام شماتيكي مگنترون كواكسيالي را نشان مي‌دهد.

مگنترون كواكسيالي Frequency- Agile
مگنترون كواكسيالي Frequency Agile با مگنترون قابل تنظيم استاندارد متفاوت است. Frequency Agility (FA) يك مگنترون كواكسيالي به صورت قابليت تنظيم فركانس خروجي رادار با سرعت به اندازه كافي بالا براي ايجاد تغيير فركانسي پالس به پالس است، به طوري كه اين تغيير بز

مگنترون Frequency – Agile به همراه مدارهاي مجتمع گيرنده مناسب مي‌تواند جرقه‌زني هدف را كاهش مي‌دهد، قابليت تشخيص هدف را در يك محيط شلوغ افزايش دهد و مقاومت در برابر

اقدام‌هاي متقابل الكترونيكي (ECM) را افزايش دهد. افزايش جدا سازي فركانسي پالس به پالس بيشتر، شكل بيشتر در مركز قرار دادن فرستنده پارازيتي در فركانس رادار روي خواهد داد كه اين كار براي تداخل موثر با عملكرد سيستم صورت مي‌گيرد.
1-5-1- مگنترون‌هاي Frequency Agile شركت Litton

Product Number Band Frequency GHz Agility Rate Hz Agility Range MHz Peak Power Kw Duty Cycle
L-4771 X 9.05 25 215 200 0.001
L-4736 X 9.1-9.5 75 30 75 0.001
L-4683 X 9.35 0 250 250 0.001
L-4798 X 9.375 75 40 100 0.001
L-4799 X 9.375 75 40 100 0.001
L-4528 Ku 15.60 0 100 100 0.001

L-4752 B Ku 16.85 60 80 50 0.0007
L-4525 Ku 16.20 0 250 75 0.0008
L-4770 Ku 16.0-17.0 200 25 55 0.0010
L-4754 Ku 16.0-17.0 200 25 55 0.001
L-4527 Ku 16.50 0 300 65 0.0007

2-5-1- مگنترون‌هاي Frequency Agile شركت TMD

Duty Cycle Max Tuning Range MKZ پيك قدرت KW فركانس GHZ
0015/0 450 100 5/9-5/8
0013/0 450 200 2/9-5/8
0013/0 450 200 4/9-7/8
0013/0 450 200 5/9-7/8
0011/0 100 80 5/9-9/8
0015/0 450 100 5/9-9

0015/0 450 100 5/9-9
0015/0 450 100 3/9-1/9
0013/0 200 70 17-16
0012/0 * 80 باند Ku

VANE AND STRAP
با برگشت به جنگ جهاني دوم مدار Vane and strap اولين مدار مگنترون مدرن آن روز بود. Vane and strap تعامل بعدي ترتيب حفره و شيار (hole and slot) بود كه كارآيي كمتري داشت و از مشكلات ناپايداري مد صدمه مي‌ديد.

مگنترون Vene and strap همانطور كه از اسمش برمي‌آيد، عمل انتخاب مدش را با بستن يا وصل كردن پره‌هاي متناوب با تكه سيم‌هاي دايروي شكل كه نوار ناميده مي‌شوند انجام مي‌دهد. ساختار رزوناتور شبيه بسياري از مدارهاي رزوناتور نيم‌موج داراي مدهاي نوساني چندگانه است.

1-6-1- مگنترون‌هاي Vane and strap شركت Litton

Product Number Band Frequency GHz Peak Power Kw Duty Cycle
L-3858 S 2.45 2.5 CONTINUOUS
L-4933 S 2.72 480 0
L-4932 S 2.76 480 0.0007
L-4931 S 2.8 480 0.0007

L-4919 S 2.805 4500 0.001
L-4830 S 2.84 480 0.0007
L-4939 S 2.88 480 0.0007
L-4928 S 2.9-3.1 1000 0.001
L-4678 C 3.9-4.1 350 0.001
L-4620 C 4.5-5.1 250 0.00125
L-4727 C 5.4 85 0.0012
7158 B C 5.45-5.825 250 0.0006
6344 A C 5.45-5.25 176 0.00085
L-5080 C 5.45-5.825 250 0.001

7156 A C 5.45-5.825 228 0.0009
L-4701 C 6.8-7.3 300 0.001
L-3108 A X 8.5-9.6 65 0.001
6543 X 8.5-9.6 65 0.001
6543 A X 8.5-9.6 85 0.001
L-4193 A X 8.5-9.6 200 0.001

Rising sun
مدار Rising sun نام خود را از ظاهر مقطع رزوناتور گرفته است. رزوناتورها متناوباً با يك قطر مشترك داخلي بزرگ و كوچك مي‌شوند. اين ساختار از طراحي الكتريكي يك سيستم رزوناتوري دوگانه كوپل شده منتج مي‌شوند.
اگرچه ساختارهاي Rising sun 40 قدمت دارند اما به اندازه مگنترون‌هاي كواكسيالي و Vane and strap موردتوجه نيستند چون در باندهاي ميليمتري تقاضا زياد نيست. ساختارهاي Rising sun هزينه كمي نسبت به مدار Vane and Strap در GHZ 100 دارند. Q اين مدار نسبتاً كم است.
1-7-1- مگنترون‌هاي Rising sun شركت Litton

Product Number Band Frequency GHz Peak Power Kw Duty Cycle
L-4154 B Ka 24.25 40 0.0003
L-4054 A Ka 34.85 88 0.0008
Ka 34.85 124 0.0004
L-4064 E Ka 34.85 125 0.0004
L-4516 A Ka 34.7-34.93 70 0.0007
Ka 34.7-34.93 125 0.0003

Injection - Locked
مگنترون‌هاي Injectipn - Locked به عنوان جانشين عملي براي TWTها و كلايسترون‌ها در كاربردهايي كه انسجام مورد نياز است عمل مي‌كنند.
اين مگنترون‌ها از نظر هزينه نسبت به لامپ‌هاي TWT موثرترند. علاوه بر اين تركيب نادر اندازه فشرده و كارايي خوب هم از مزاياي اين مگنترون‌ها است.
مفهوم Injectipn - Locked نسبتاً ساده است. يك سينگنال با سطح كم به طور مستقيم به مدار رزوناس يك اسيلاتور پرقدرت Free running داده مي‌شود.

اگر فركانس منبع به اندازه كافي به فركانس Free running اسيلاتور نزديك باشد و دامنه سيگنال به اندازه كافي باشد وسيله پرقدرت در يك پهناي باند معين داراي پايداري فركانس و فازي مي‌شود. در مورد يك مگنترون Injectipn - Locked انرژي از طريق يك سير كولاتور به داخل آند كوچك مي‌شود.

مگنترون‌هاي Beacon
مگنترون‌هاي Beacon (مگنترون‌هاي قراردادي مينياتوري) پيك قدرت خروجي KW 5/3 را توليد مي‌كنند، در حاليكه وزن آنها از 2 پوند است. اين وسايل براي استفاده در جاهايي كه منابع خيلي فشرده و لتاژ كم‌قدرت پالسي نياز است ايده‌آل هستند. نظير هواپيمايي، موشك، ماهواره يا سيستم‌هاي Doppler . بيشتر مگنترون‌هاي Beacon شيفت فركانسي ناچيزي دارند و كارايي با طول عمر زياد در سخت‌ترين شرايط محيطي و دمايي از خود نشان مي‌دهند.

1-9-1- مگنترون‌هاي Beacon شركت Litton

Product Number Band Frequency GHz Peak Power Watts Duty Cycle
L-4850 C 4.4-4.8 900 0.002
L-4846 C 5.4-5.9 350 0.002
L-4847 C 5.4-5.9 540 0.000
L-4844 C 5.4-5.9 600 0.002
L-4848 C 5.4-5.9 600 0.002
L-4855 C 5.4-5.9 600 0.001

L-4841 C 5.4-5.9 900 0.001
L-4854 C 5.4-5.9 900 0.001
L-4851 C 5.4-5.9 1500 0.000
L-4843 C 5.4-5.9 4500 0.001
L-4832 X 8.8-9.5 400 0.000
L-4834 X 8.8-9.5 475 0.000

L-4839 X 8.8-9.5 400 0.001
L-4833 X 8.8-9.5 700 0.000
L-4831 X 8.8-9.5 500 0.001
L-4837 X 9.2-9.55 560 0.002
L-4766 Ku 16.2-16.3 560 0.000

2- CFA (Cross Field Amplifier)
تقويت‌كننده با ميدان متقاطع (CFA) پيامد وجود مگنترون است. مي‌توان CFAها را براسا مد عملكردشان به صورت انواع موج جلو‌رونده و موج و موج‌عقب‌رونده گروه‌بندي كرد و يا براساس منبع جريان الكتروني آنها به صورت انواع emitting sole يا injected-beam طبقه‌بندي كرد. گروه اول به جهت فاز و سرعت گروه انرژي در مدار مايكروويوي مربوط است. چون جريان الكترون به نيروهاي

ميدان الكتروني RF واكنش مي‌دهد. رفتار سرعت فاز با فركانس اولين موضوع مورد علاقه است. گروه دوم بر روشي كه با آن الكترون‌ها به ناحيه اندركنش مي‌رسند و چگونه كنترل مي‌شوند تاكيد مي‌كند.