Un tubo de onda viajera ( TWT , pronunciado "twit" [1] ) o un amplificador de tubo de onda viajera ( TWTA , pronunciado "tweeta") es un tubo de vacío especializado que se utiliza en electrónica para amplificar señales de radiofrecuencia (RF) en el rango de microondas . [2] Fue inventado por Andrei Haeff alrededor de 1933 como estudiante de posgrado en Caltech , y su forma actual fue inventada por Rudolf Kompfner en 1942-43. El TWT pertenece a una categoría de tubos de "haz lineal", como el klistrón , en el que la onda de radio se amplifica absorbiendo potencia de un haz de electrones a medida que pasa por el tubo. [2] Aunque existen varios tipos de TWT, dos categorías principales son: [2]
Una ventaja importante del TWT sobre otros tubos de microondas es su capacidad para amplificar una amplia gama de frecuencias , es decir, un gran ancho de banda . El ancho de banda del TWT de hélice puede llegar a dos octavas , mientras que las versiones de cavidad tienen anchos de banda del 10 al 20%. [2] [3] Las frecuencias de funcionamiento oscilan entre 300 MHz y 50 GHz. [2] [3] La ganancia de potencia del tubo es del orden de 40 a 70 decibeles , [3] y la potencia de salida varía desde unos pocos vatios hasta megavatios . [2] [3]
Los TWT representan más del 50% del volumen de ventas de todos los tubos de vacío para microondas. [2] Se utilizan ampliamente como amplificadores de potencia y osciladores en sistemas de radar , transmisores de satélites de comunicaciones y naves espaciales , y sistemas de guerra electrónica . [2]
El TWT es un tubo de vacío alargado con un cañón de electrones (un cátodo calentado que emite electrones ) en un extremo. Un voltaje aplicado a través del cátodo y el ánodo acelera los electrones hacia el extremo más alejado del tubo, y un campo magnético externo alrededor del tubo enfoca los electrones en un haz. En el otro extremo del tubo los electrones chocan contra el "colector", que los devuelve al circuito.
Envuelta alrededor del interior del tubo, justo fuera de la trayectoria del haz, hay una hélice de alambre, generalmente cobre libre de oxígeno . La señal de RF que se va a amplificar se introduce en la hélice en un punto cerca del extremo emisor del tubo. La señal normalmente se introduce en la hélice a través de una guía de ondas o bobina electromagnética colocada en un extremo, formando una ruta de señal unidireccional, un acoplador direccional .
Al controlar el voltaje de aceleración, la velocidad de los electrones que fluyen por el tubo se establece para que sea similar a la velocidad de la señal de RF que recorre la hélice. La señal en el cable provoca que se induzca un campo magnético en el centro de la hélice, por donde fluyen los electrones. Dependiendo de la fase de la señal, los electrones se acelerarán o desacelerarán a medida que pasan por los devanados. Esto hace que el haz de electrones se "acumule", lo que técnicamente se conoce como "modulación de velocidad". El patrón resultante de densidad de electrones en el haz es análogo a la señal de RF original.
Debido a que el haz pasa por la hélice a medida que viaja y esa señal varía, provoca una inducción en la hélice, amplificando la señal original. Cuando llega al otro extremo del tubo, este proceso ha tenido tiempo de depositar una energía considerable nuevamente en la hélice. Un segundo acoplador direccional, ubicado cerca del colector, recibe una versión amplificada de la señal de entrada desde el otro extremo del circuito de RF. Los atenuadores colocados a lo largo del circuito de RF evitan que la onda reflejada regrese al cátodo.
Los TWT de hélice de mayor potencia suelen contener cerámica de óxido de berilio como varilla de soporte de la hélice y, en algunos casos, como colector de electrones para el TWT debido a sus propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas especiales. [4] [5]
Hay varios tubos amplificadores de RF que funcionan de manera similar al TWT, conocidos colectivamente como tubos de velocidad modulada. El ejemplo más conocido es el klistrón . Todos estos tubos utilizan el mismo "agrupación" básica de electrones para proporcionar el proceso de amplificación y difieren en gran medida en qué proceso causa que se produzca la modulación de velocidad.
En el klistrón, el haz de electrones pasa a través de un orificio en una cavidad resonante que está conectada a la fuente de señal de RF. La señal en el instante en que los electrones pasan a través del agujero hace que se aceleren (o desaceleren). Los electrones entran en un "tubo de deriva" en el que los electrones más rápidos superan a los más lentos, creando haces, después de lo cual los electrones pasan a través de otra cavidad resonante de la que se toma la potencia de salida. Dado que el proceso de clasificación por velocidad lleva tiempo, el tubo de deriva a menudo debe tener varios pies de largo.
En comparación, en el TWT la aceleración es causada por las interacciones con la hélice a lo largo de toda la longitud del tubo. Esto permite que el TWT tenga una salida de ruido muy baja, una gran ventaja del diseño. Lo que es más útil, este proceso es mucho menos sensible a la disposición física del tubo, lo que permite que el TWT funcione en una variedad más amplia de frecuencias. Los TWT generalmente tienen ventaja cuando son útiles el bajo ruido y la variabilidad de frecuencia. [6] [7]
Los Helix TWT están limitados en potencia de RF máxima por el manejo de corriente (y por lo tanto el grosor) del cable de hélice. A medida que aumenta el nivel de potencia, el cable puede sobrecalentarse y provocar que la geometría de la hélice se deforme. Se puede aumentar el grosor del alambre para mejorar las cosas, pero si el alambre es demasiado grueso resulta imposible obtener el paso de hélice requerido para un funcionamiento adecuado. Normalmente, los TWT helicoidales alcanzan una potencia de salida inferior a 2,5 kW.
El TWT de cavidades acopladas supera este límite reemplazando la hélice con una serie de cavidades acopladas dispuestas axialmente a lo largo de la viga. Esta estructura proporciona una guía de ondas helicoidal y, por lo tanto, la amplificación puede ocurrir mediante modulación de velocidad. Las guías de ondas helicoidales tienen una dispersión muy no lineal y, por lo tanto, son solo de banda estrecha (pero más anchas que el klistrón ). Un TWT de cavidad acoplada puede alcanzar una potencia de salida de 60 kW.
El funcionamiento es similar al de un klistrón , excepto que los TWT de cavidad acoplada están diseñados con atenuación entre la estructura de onda lenta en lugar de un tubo de deriva. La estructura de onda lenta le da al TWT su amplio ancho de banda. Un láser de electrones libres permite frecuencias más altas.
Un TWT integrado con una fuente de alimentación regulada y circuitos de protección se denomina amplificador de válvulas de onda viajera [8] (abreviado TWTA y a menudo pronunciado "TWEET-uh"). Se utiliza para producir señales de radiofrecuencia de alta potencia . El ancho de banda de un TWTA de banda ancha puede llegar a una octava , [ cita necesaria ] aunque existen versiones sintonizadas (de banda estrecha); Las frecuencias de funcionamiento oscilan entre 300 MHz y 50 GHz.
Un TWTA consta de un tubo de onda viajera acoplado con sus circuitos de protección (como en el klistrón ) y un acondicionador de energía electrónico (EPC) de fuente de alimentación regulada , que puede ser suministrado e integrado por un fabricante diferente. La principal diferencia entre la mayoría de las fuentes de alimentación y las de tubos de vacío es que los tubos de vacío eficientes tienen colectores deprimidos para reciclar la energía cinética de los electrones, por lo que el devanado secundario de la fuente de alimentación necesita hasta 6 derivaciones, de las cuales el voltaje de la hélice necesita una regulación precisa. La posterior adición de un linealizador (como para el tubo de salida inductivo ) puede, mediante compensación complementaria, mejorar la compresión de ganancia y otras características del TWTA; esta combinación se llama TWTA linealizado (LTWTA, "EL-tweet-uh").
Los TWTA de banda ancha generalmente utilizan un TWT helicoidal y alcanzan una potencia de salida inferior a 2,5 kW. Los TWTA que utilizan un TWT de cavidad acoplada pueden alcanzar una potencia de salida de 15 kW, pero a expensas de un ancho de banda más estrecho.
El diseño original y el prototipo del TWT fueron realizados por Andrei "Andy" Haeff c. 1931 mientras trabajaba como estudiante de doctorado en el Laboratorio de Radiación Kellogg en Caltech. Su patente original, "Dispositivo y método para controlar corrientes de alta frecuencia", fue presentada en 1933 y concedida en 1936. [9] [10]
La invención del TWT se atribuye a menudo a Rudolf Kompfner en 1942-1943. Además, Nils Lindenblad, que trabajaba en RCA (Radio Corporation of America) en EE.UU., también presentó en mayo de 1940 una patente para un dispositivo [11] que era notablemente similar al TWT de Kompfner. [12] : 2 Ambos dispositivos fueron mejoras con respecto al diseño original de Haeff, ya que ambos utilizaron el entonces recién inventado cañón de electrones de precisión como fuente del haz de electrones y ambos dirigieron el haz hacia el centro de la hélice en lugar de hacia afuera. . Estos cambios de configuración dieron como resultado una amplificación de onda mucho mayor que el diseño de Haeff, ya que se basaban en los principios físicos de modulación de velocidad y agrupación de electrones. [10] Kompfner desarrolló su TWT en un laboratorio de radar del Almirantazgo británico durante la Segunda Guerra Mundial . [13] Su primer boceto de su TWT está fechado el 12 de noviembre de 1942, y construyó su primer TWT a principios de 1943. [12] : 3 [14] El TWT fue posteriormente perfeccionado por Kompfner, [14] John R. Pierce , [15] y Lester M. Winslow en Bell Labs . Tenga en cuenta que la patente estadounidense de Kompfner, concedida en 1953, cita el trabajo anterior de Haeff. [10]
En la década de 1950, después de un mayor desarrollo en el Laboratorio de Tubos de Electrones de Hughes Aircraft Company en Culver City, California, los TWT comenzaron a producirse allí, y en la década de 1960 los TWT también fueron producidos por empresas como la English Electric Valve Company , seguida por Ferranti en la década de 1970. [16] [17] [18]
El 10 de julio de 1962, se lanzó el primer satélite de comunicaciones, Telstar 1 , con un transpondedor TWT de 2 W y 4 GHz diseñado por RCA que se utilizaba para transmitir señales de RF a estaciones terrestres. Syncom 2 se lanzó con éxito a la órbita geosincrónica el 26 de julio de 1963 con dos transpondedores TWT de 2 W y 1850 MHz diseñados por Hughes: uno activo y otro de repuesto. [19] [20]
Los TWTA se utilizan comúnmente como amplificadores en transpondedores de satélite , donde la señal de entrada es muy débil y la salida debe ser de alta potencia. [21]
Un TWTA cuya salida impulsa una antena es un tipo de transmisor . Los transmisores TWTA se utilizan ampliamente en radares , particularmente en sistemas de radar de control de incendios aerotransportados , y en sistemas de autoprotección y guerra electrónica . [22] En tales aplicaciones, normalmente se introduce una rejilla de control entre el cañón de electrones del TWT y la estructura de onda lenta para permitir la operación pulsada. El circuito que impulsa la red de control generalmente se denomina modulador de red .
Se montaron TWTA duales redundantes de 12 vatios en el cuerpo debajo del plato de la nave espacial New Horizons , que visitó Plutón en 2015 y luego el objeto del cinturón de Kuiper 486958 Arrokoth en 2019 para devolver datos a una distancia de 43,4 AU del Sol.
A veces se ha hecho referencia a un TWT como "tubo amplificador de ondas viajeras" (TWAT), [23] aunque este término nunca fue adoptado ampliamente. Los ingenieros han pronunciado "TWT" como "twit", [24] y "TWTA" como "tweeta". [25]
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