El tubo Sutton fue el nombre que recibió el primer klistrón réflex , desarrollado en 1940 por Robert W. Sutton del grupo Signal School de la Universidad de Bristol . El tubo Sutton fue desarrollado como oscilador local para el receptor de los equipos de radar de microondas de 10 cm. Debido a su geometría y a su gran espacio de deriva, sufría de saltos de modo a través del rango de sintonización. Por este motivo, a partir de finales de 1941, fue reemplazado en muchos equipos por el Western Electric 707A (también conocido como tubo McNally, llamado así por su desarrollador).
El klistrón reflejo es un tipo de tubo de vacío utilizado para generar microondas . Es un dispositivo de baja potencia utilizado 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 de Sutton blando o interruptor de rumbatrón , fue un componente clave en el desarrollo del radar de microondas por parte de Gran Bretaña durante la Segunda Guerra Mundial . Los interruptores de microondas de todos los diseños, incluidos estos, se conocen más generalmente como tubos T/R o celdas T/R .
El tubo Sutton recibe su nombre de uno de sus inventores, Robert Sutton, un experto en el diseño de tubos de vacío. Los diseños originales de klistrones 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 fines de 1940 mientras trabajaba en Admiralty Signals and Radar Establishment . Los tubos Sutton se usaron ampliamente en una variedad de formas durante la Segunda Guerra Mundial y durante la década de 1960. Desde entonces, su papel ha sido asumido 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 cavidad resonante que formaba parte de muchos klistrones, en referencia a la rumba debido al movimiento similar al baile de los electrones.
Los klistrones comparten el concepto básico de que la salida de microondas se genera acelerando y luego desacelerando progresivamente los electrones en un espacio abierto rodeado por una cavidad resonante. Los diseños de klistrones más fáciles de entender tienen dos cavidades.
La primera cavidad está conectada a una señal de origen y está diseñada para resonar a la frecuencia deseada, llenando su interior con un campo eléctrico oscilante. Las dimensiones de la cavidad son una función de la longitud de onda; la mayoría son cilindros planos con la forma de un disco de hockey de distintos tamaños. Se perfora un orificio 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 dependiendo del valor del campo que varía rápidamente en el momento en que pasan. Más allá de la cavidad, los electrones acelerados alcanzan a los desacelerados, lo que hace que los electrones se amontonen en la corriente. Esto hace que la corriente recree el patrón de la señal original en la densidad de los electrones. Esta área del tubo tiene que ser bastante larga para permitir que este proceso se complete. [2]
Los electrones pasan entonces a través de una segunda cavidad, similar a la primera. A medida que pasan, los haces hacen que se induzca un campo eléctrico variable en la cavidad, recreando la señal original pero con una corriente mucho más alta. Un punto de derivación en esta cavidad proporciona la salida de microondas amplificada. [2]
La introducción del magnetrón de cavidad provocó una revolución en el diseño de radares, ya que generaba grandes cantidades de energía a partir de un dispositivo compacto y fácil de construir. Sin embargo, también requirió varios desarrollos adicionales antes de poder usarlo.
Entre ellos se encontraba un oscilador local adecuado , con una diferencia de unos 45 MHz respecto 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 se enfriaba, lo suficiente como para que se necesitara algún tipo de fuente de microondas sintonizable cuya frecuencia pudiera ajustarse para que coincidiera. Un segundo magnetrón no funcionaría, no se sincronizarían. [4]
Como el circuito receptor requiere muy poca potencia de salida, el klistrón, introducido por primera vez solo dos años antes, fue una elección natural. Se le preguntó a Sutton, un conocido experto en diseño de tubos, si podía proporcionar una versión que pudiera sintonizarse en el mismo rango que la deriva del magnetrón. [5] Un modelo inicial disponible en 1940 permitía la sintonización con algo de esfuerzo. Si bien funcionaba, 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 bautizó en honor a Sutton, mientras que Sutton lo llamó el tubo Thompson. [6] El primero funcionó.
Su avance consistió en utilizar un único 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 hacía que los electrones giraran y comenzaran a fluir de regreso hacia el cañón, de manera similar al tubo de Barkhausen-Kurz . Al cambiar el voltaje del reflector en relación con el cañón, se podía ajustar, dentro de ciertos límites, la velocidad de los electrones cuando llegaban a la cavidad por segunda vez. La frecuencia era una función de la velocidad de los electrones, lo que proporcionaba la función de sintonización. [5]
Esta modificación permitió doblar el klistrón por la mitad, con la mayor parte de la "acción" en el centro del tubo, donde se encontraban 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 de metal que envolvía el tubo. Se podían realizar cambios más importantes en la frecuencia reemplazando la carcasa exterior, y esto también proporcionaba una ubicación conveniente para el montaje. [5]
Desafortunadamente, el sistema necesitaba dos fuentes de alimentación de alto voltaje, una para la aceleración inicial del cañón y una segunda entre el cañón y el reflector. Y, debido a la forma en que funcionaba, el sistema estaba limitado generalmente a milivatios de potencia. [ cita requerida ]
Una de las ventajas de utilizar microondas para el radar es que el tamaño de la antena depende de la longitud de onda de la señal, por lo que las longitudes de onda más cortas requieren antenas mucho más pequeñas. Esto era de vital importancia para los sistemas de radar aerotransportados. Los aviones alemanes, que utilizaban longitudes de onda más largas, necesitaban antenas enormes que reducían la velocidad de la aeronave entre 25 y 50 km/h debido a la resistencia aerodinámica. [7] Las microondas requerían antenas de tan solo unos centímetros de largo y podían caber fácilmente en el morro del avión.
Esta ventaja se vio contrarrestada por la falta de un sistema de conmutación que permitiera que una sola antena actuara como transmisor y receptor. Esto no siempre es un problema importante; el sistema Chain Home se las arregló 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 delante de una antena parabólica común y colocando un disco de papel de aluminio entre ellos. Sin embargo, esto no tuvo mucho éxito, y los diodos de cristal utilizados como detectores se quemaban con frecuencia a medida que la señal se filtraba a través o alrededor del disco. [8] También se utilizó una solución que utilizaba dos tubos de descarga de chispas , pero no era ideal. [9]
Arthur H. Cooke, del Laboratorio Clarendon , sugirió una solución mejor y HWB Skinner, junto con AG Ward y AT Starr, del Telecommunications Research Establishment , se hicieron cargo del desarrollo de la producción . [9] Tomaron un tubo Sutton y desconectaron el cañón de electrones y el reflector, dejando solo la cavidad. Esta se llenó con un gas diluido, inicialmente helio o hidrógeno , [10] pero que finalmente se asentó en una pequeña cantidad de vapor de agua y argón. [11]
Cuando la señal de transmisión se percibía en la entrada, el gas se ionizaba rápidamente (con la ayuda de una bobina de calentamiento 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 la transmisión se detenía, el gas se desionizaba y la impedancia desaparecía muy rápidamente. [10] Los diminutos ecos causados por los reflejos del objetivo, que llegaban microsegundos después, eran demasiado pequeños para causar la ionización y permitían que la señal llegara a la salida. [3]
El tubo blando Sutton utilizable llegó en marzo de 1941 y se puso en producción como CV43. [3] Se utilizó por primera vez como parte del radar AI Mk. VII , el primer radar de microondas de producción para aeronaves. [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]
Los servicios de inteligencia de posguerra revelaron que los alemanes estaban desconcertados por el propósito del tubo blando Sutton. Varios ejemplares cayeron en sus manos, en particular el Rotterdam Gerät , un H2S que fue capturado en forma bastante completa en febrero de 1943. Las entrevistas con ingenieros de radar alemanes después de la guerra demostraron que no podían comprender el propósito del tubo sin alimentación. [9]
El tubo de Sutton blando se utilizó en un circuito conocido como "conmutador T/R" (o muchas variaciones sobre ese tema). Se habían utilizado otros tubos de chispa para este propósito, en un diseño conocido como " duplexor de rama ". Este consistía en dos tramos cortos de guía de ondas de aproximadamente 1/4 de longitud de onda, los cuales se activaban cuando llegaba la señal. Debido a la geometría del diseño, los dos caminos dieron como resultado una reflexión de la señal. [13] Los tubos de Sutton se utilizaron en un diseño más simple conocido como "circuito de ramificación en 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 de Sutton en la ubicación correcta a lo largo de la guía de ondas hasta el receptor, se podía lograr el mismo efecto que el duplexor de rama. [14] [15]