Tubo de Sutton fue el nombre que recibió el primer klistrón reflejo , desarrollado en 1940 por Robert W. Sutton del grupo Signal School de la Universidad de Bristol . El tubo de Sutton se desarrolló como oscilador local para el receptor de radares de microondas de 10 cm. Debido a su geometría y su largo espacio de deriva, sufrió saltos de modo en el rango de sintonización. Por este motivo, a partir de finales de 1941, fue sustituido en muchos conjuntos por el Western Electric 707A (también conocido como tubo McNally, nombrado así por su desarrollador).
El klistrón reflejo es un tipo de tubo de vacío que se utiliza para generar microondas . Es un dispositivo de baja potencia utilizado principalmente para dos propósitos: uno es proporcionar una fuente de frecuencia sintonizable de baja potencia para los osciladores locales en los circuitos receptores, y el otro, con modificaciones menores, como un interruptor que podría encender y apagar otro. 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 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 del klistrón se desarrollaron a finales de la década de 1930 en Estados Unidos, y se pidió a Sutton que desarrollara una versión sintonizable. Desarrolló los primeros modelos a finales de 1940 mientras trabajaba en el Admiralty Signals and Radar Establishment . Los tubos de Sutton se utilizaron ampliamente en diversas 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 la cavidad resonante que formaba parte de muchos klistrones, refiriéndose a la rumba debido al movimiento de danza de los electrones.
Los klistrones comparten el concepto básico de que la salida de microondas se genera acelerando progresivamente y luego desacelerando electrones en un espacio abierto rodeado por una cavidad resonante. Los diseños de klistrón 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 disparados 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 señal original en la densidad de los electrones. Esta área del tubo debe 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 haces provocan 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, 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 ellos se encontraba un oscilador local adecuado de aproximadamente 45 MHz diferente de la señal del transmisor, que alimentaba la sección de frecuencia intermedia de los circuitos receptores. [3] El problema era que la frecuencia del magnetrón se desviaba a medida que se calentaba y 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 sólo dos años antes, fue la elección natural. Se le preguntó a Sutton, un conocido experto en diseño de tubos, si podía proporcionar una versión que pudiera ajustarse en el mismo rango que la deriva del magnetrón. [5] Un modelo inicial disponible en 1940 permitía afinarlo con cierto esfuerzo. Si bien funcionó, no era adecuado para un sistema operativo. Sutton y Thompson continuaron trabajando en el problema y encontraron una solución en octubre de 1940. [3] Thompson lo nombró en honor a Sutton, mientras que Sutton se refirió a él como Thompson Tube. [6] El primero se mantuvo.
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", lo que provocó que los electrones giraran y comenzaran a fluir de regreso hacia la pistola, similar al tubo de Barkhausen-Kurz . Cambiando el voltaje del reflector en relación con el cañón, se podía ajustar, dentro de unos límites, la velocidad de los electrones cuando llegaban a la cavidad por segunda vez. La frecuencia era 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 salida de la cavidad única. Además, dentro del tubo sólo se encontraba el interior de la cavidad, mientras que la superficie exterior tenía la forma de una carcasa metálica envuelta alrededor del tubo. Se podían realizar cambios más importantes en la frecuencia reemplazando la carcasa exterior, lo que 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 arma y una segunda entre el arma y el reflector. Y, debido a la forma en que funcionaba, el sistema generalmente estaba limitado a milivatios de potencia. [ cita necesaria ]
Una de las ventajas de utilizar microondas para radar es que el tamaño de una antena se basa en la longitud de onda de la señal y, por lo tanto, 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 del avión entre 25 y 50 km/h debido a la resistencia. [7] Las microondas requerían antenas de sólo unos pocos centímetros de largo y podían caber fácilmente en el morro del avión.
Esta ventaja se vio compensada por la falta de un sistema de conmutación que permitiera que una sola antena actuara como transmisor y receptor. Este no siempre es un problema importante; el sistema Chain Home se conformaba con dos juegos de antenas, al igual que los primeros radares aéreos como el Mk. IV . En 1940, Bernard Lovell desarrolló una solución para el radar de microondas colocando dos conjuntos de dipolos delante de 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 frecuentemente se quemaban cuando la señal se filtraba a través o alrededor del disco. [8] También se utilizó una solución que utiliza dos tubos explosores , pero no fue ideal. [9]
Arthur H. Cooke, del Laboratorio Clarendon, sugirió una mejor solución , y HWB Skinner, junto con AG Ward y AT Starr, del Telecommunications Research Establishment, se encargaron del desarrollo de la producción . [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 conformó con una pequeña cantidad de vapor de agua y argón. [11]
Cuando la señal de transmisión se veía en la entrada, el gas se ionizaba rápidamente (con la ayuda de 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 pequeños ecos causados por los reflejos del objetivo, que llegaron microsegundos después, eran demasiado pequeños para causar la ionización y permitieron que la señal llegara a la salida. [3]
El tubo Sutton blando utilizable llegó en marzo de 1941 y se puso en producción como CV43. [3] Se utilizó por primera vez como parte del AI Mk. Radar VII , 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 posguerra reveló que los alemanes estaban desconcertados por el propósito del tubo blando Sutton. Varios ejemplos 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 entender el propósito del tubo sin motor. [9]
El tubo blando de Sutton se utilizó 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, las cuales se encendían cuando llegaba la señal. Debido a la geometría del diseño, los dos caminos resultaron en un reflejo de la señal. [13] Los tubos Sutton se utilizaron en un diseño más simple conocido como "circuito ramificado 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 misma. porción vertical. Ubicando el tubo de Sutton en el lugar correcto a lo largo de la guía de ondas hasta el receptor, se podría lograr el mismo efecto que el del duplexor de rama. [14] [15]