Un tubo de ondas viajeras ( TWT , pronunciado "twit" [1] ) o amplificador de tubo de ondas viajeras ( 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 energía 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 de amplificar una amplia gama de frecuencias, es decir, un gran ancho de banda . El ancho de banda del TWT de hélice puede ser de hasta dos octavas , mientras que las versiones de cavidad tienen anchos de banda del 10 al 20%. [2] [3] Las frecuencias de funcionamiento varían de 300 MHz a 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 de unos pocos vatios a megavatios . [2] [3]
Los TWT se utilizan ampliamente como amplificadores de potencia y osciladores en sistemas de radar , transmisores de satélites de comunicación 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.
En el interior del tubo, justo fuera de la trayectoria del haz, se encuentra una espiral de alambre, generalmente de cobre sin oxígeno . La señal de RF que se va a amplificar se introduce en la espiral en un punto cercano al extremo del emisor del tubo. La señal normalmente se introduce en la hélice a través de una guía de ondas o una bobina electromagnética colocada en un extremo, formando una trayectoria de señal unidireccional, un acoplador direccional .
Al controlar el voltaje de aceleración, la velocidad de los electrones que fluyen por el tubo se establece de manera que sea similar a la velocidad de la señal de RF que se desplaza por la hélice. La señal en el cable hace 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 "amontone", lo que técnicamente se conoce como "modulación de velocidad". El patrón resultante de densidad de electrones en el haz es un análogo de la señal de RF original.
Como el haz pasa por la hélice a medida que viaja y la señal varía, provoca una inducción en la hélice, lo que amplifica la señal original. Cuando llega al otro extremo del tubo, este proceso ha tenido tiempo de depositar una cantidad considerable de energía en la hélice. Un segundo acoplador direccional, ubicado cerca del colector, recibe una versión amplificada de la señal de entrada desde el extremo más alejado del circuito de RF. Los atenuadores ubicados a lo largo del circuito de RF evitan que la onda reflejada viaje de regreso al cátodo.
Los TWT de hélice de mayor potencia generalmente contienen cerámica de óxido de berilio como varilla de soporte de hélice y, en algunos casos, como colector de electrones para el TWT debido a sus propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas especiales. [4] [5]
Hay una serie de tubos amplificadores de RF que funcionan de manera similar al TWT, conocidos colectivamente como tubos modulados por velocidad. El ejemplo más conocido es el klistrón . Todos estos tubos utilizan la misma "agrupación" básica de electrones para proporcionar el proceso de amplificación y difieren en gran medida en qué proceso hace 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 señal de RF de la fuente. La señal en el instante en que los electrones pasan a través del orificio hace que se aceleren (o desaceleren). Los electrones entran en un "tubo de deriva" en el que los electrones más rápidos adelantan a los más lentos, creando los 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 de 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 ventaja importante del diseño. Más útil aún, 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 una ventaja cuando el bajo nivel de ruido y la variabilidad de frecuencia son útiles. [6] [7]
Los TWT helicoidales están limitados en potencia de RF máxima por el manejo de corriente (y por lo tanto el grosor) del cable helicoidal. A medida que aumenta el nivel de potencia, el cable puede sobrecalentarse y hacer que la geometría de la hélice se deforme. El grosor del cable se puede aumentar para mejorar las cosas, pero si el cable es demasiado grueso se vuelve 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 cavidad acoplada supera este límite reemplazando la hélice con una serie de cavidades acopladas dispuestas axialmente a lo largo del haz. Esta estructura proporciona una guía de ondas helicoidal y, por lo tanto, la amplificación puede ocurrir a través de la modulación de velocidad. Las guías de ondas helicoidales tienen una dispersión muy no lineal y, por lo tanto, solo son 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 tubo de ondas viajeras [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 ser de hasta una octava , [ cita requerida ] aunque existen versiones sintonizadas (de banda estrecha); las frecuencias de funcionamiento varían de 300 MHz a 50 GHz.
Un TWTA consiste en un tubo de ondas viajeras acoplado con sus circuitos de protección (como en el klistrón ) y un acondicionador electrónico de potencia (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 los 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 tomas de las cuales el voltaje de hélice necesita una regulación precisa. La posterior adición de un linealizador (como para el tubo de salida inductiva ) puede, mediante compensación complementaria, mejorar la compresión de ganancia y otras características del TWTA; esta combinación se denomina 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 y prototipo original del TWT fue realizado por Andrei "Andy" Haeff alrededor de 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 los EE. UU., también presentó una patente para un dispositivo en mayo de 1940 [11] que era notablemente similar al TWT de Kompfner. [12] : 2 Ambos dispositivos fueron mejoras sobre el diseño original de Haeff, ya que ambos usaban el entonces recién inventado cañón de electrones de precisión como fuente del haz de electrones y ambos dirigían el haz hacia el centro de la hélice en lugar de hacia afuera de ella. 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 agrupamiento 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 perfeccionado posteriormente por Kompfner, [14] John R. Pierce , [15] y Lester M. Winslow en Bell Labs . Nótese que la patente estadounidense de Kompfner, otorgada en 1953, cita el trabajo previo de Haeff. [10]
En la década de 1950, después de un mayor desarrollo en el Laboratorio de Tubos de Electrones de la Hughes Aircraft Company en Culver City, California, los TWT entraron en producción allí, y en la década de 1960 los TWT también fueron producidos por compañías como 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. El Syncom 2 se lanzó con éxito a la órbita geoestacionaria 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 satelitales , donde la señal de entrada es muy débil y la salida debe ser de alta potencia. [21] Los TWTA utilizados en comunicaciones satelitales se consideran opciones confiables y tienden a durar más allá de su vida útil esperada de 15 a 20 años. [22]
Un TWTA cuya salida activa una antena es un tipo de transmisor . Los transmisores TWTA se utilizan ampliamente en radares , particularmente en sistemas de radar de control de tiro aerotransportados, y en sistemas de guerra electrónica y autoprotección. [23] 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 el funcionamiento pulsado. El circuito que activa la rejilla de control suele denominarse modulador de rejilla .
Los TWTA han encontrado aplicaciones en varias naves espaciales, incluidas las cinco sondas espaciales que han alcanzado la velocidad de escape necesaria para abandonar el Sistema Solar. [24] [25] Por ejemplo, los TWTA de banda X de 12 vatios redundantes duales están montados en el cuerpo debajo de la antena de la nave espacial New Horizons , [26] 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 UA del Sol. Lanzado en 2021, el telescopio espacial James Webb utiliza TWT de banda K a . [25]
A veces se hace referencia a un TWT como "tubo amplificador de ondas viajeras" (TWAT), [27] aunque este término nunca fue ampliamente adoptado. Los ingenieros pronuncian "TWT" como "twit", [28] y "TWTA" como "tweeta". [29]
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