چکیده:
این مقاله تحقیقی در مورد بررسی لامپ‌های پرقدرت مورد استفاده در رادار از نظر پهنای باند، قدرت، بهره ، راندمان و غیره می‌باشد.
در فصل اول با مطالعه روی لامپ‌های با میدان متقاطع (M- Type) و توصیف انواع آن پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را ارئه نموده است.
در فصل دوم به بررسی لامپ‌های با پرتو خطی (O-Type) و انواع مختلف آن و بررسی عمکرد تک‌تک آنها و آخرین تکنولوژی روز جهان پرداخته شده است.
فصل اول
لامپ‌های با میدان متقاطع
(Cross - Field) مایکروویوی (M-Type)
مقدمه
در لامپ‌های با میدان متقاطع (Cross Fielde) میدان مغناطیسی dc و میدان الکتریکی dc بر یکدیگر عمودند. در همه لامپ‌های CF میدان مغناطیسی dc نقش مستقیمی در فرآیند اندرکنشی RF ایفا می‌کند.
لامپ‌های CF نامشان را از این حقیقت که میدان الکتریکی dc و میدان مغناطیسی dc بر یکدیگر عمودند گرفته‌اند. در لامپ CF الکترونهایی که توسط کاتد ساطع می‌شوند بوسیله میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند و سرعت می‌گیرند. اما همانطور که با ادامه مسیر سرعتشان بیشتر می‌شود توسط میدان مغناطیسی خم می‌شوند. اگر یک میدان RF در مدار آند به کار برده شود الکترونهایی که در طی اعمال میدان کاهنده وارد مدار شوند کند می‌شوند و مقداری از انرژی خود را به میدان RF میدهند. در نتیجه سرعتشان کاهش می‌یابد و این الکترونهای با سرعت کمتر در میدان الکتریکی dc که به میزان کافی دور هست تا ضرورتاً همان سرعت قبلی را دوباره بدست بیاورند طی مسیر می‌کنند. بدلیل کنش اندرکنش‌های میدان متقاطع فقط آن الکترونهایی که انرژی کافی به میدان RF داده‌اند می‌توانند تمام مسیر تا آند را طی کنند. این خصیصه لامپ‌های CF را نسبتاً مفید می‌سازد. آن الکترونهایی که در طی اعمال میدان شتاب‌دهنده وارد مدار می‌شوند بر حسب دریافت انرژی کافی از میدان RF شتاب داده می‌شوند و به سمت کاتد باز می‌گردند. این بمباران برگشتی در کاتد گرما ایجاد می‌کند و راندمان کار را کاهش می‌دهد.
در این فصل چندین لامپ CF را که عموماً به کار برده می‌شوند مورد مطالعه قرار می‌دهیم.
اسیلاتورهای مگنترون
Hull در سال 1921 مگنترون را اختراع کرد. اما این وسیله تاحدود دهه 1940 تنها یک وسیله آزمایشگاهی جالب بود. در طول جنگ جهانی دوم نیازی فوری به مولدهای ماکروویوی پرقدرت برای فرستنده‌های رادار منجر به توسعه سریع مگنترون شد. همه مگنترون‌ها شامل بعضی اشکال آند و کاتد که در یک میدان مغناطیسی در میان یک میدان الکتریکی بین آند و کاتد کار می‌کنند می‌باشند. به دلیل میدان تقاطع بین آندو کاتد الکترونهایی که از کاتد ساطع می‌شوند تحت‌تأثیر میدان متقاطع مسیرهایی منحنی‌شکل را طی می‌کنند.
اگر میدان مغناطیسی dc به اندازه کافی قوی باشد الکترون‌ها به آند نخواهند رسید ولی درعوض به کاتد باز می‌گردند. در نتیجه جریان آند قطع می‌شود. مگنترون‌ها را می‌تان به سه نوع طبقه‌بندی کرد:
مگنترون با آند دو نیم شده[1]
این نوع مگنترون از یک مقاومت منفی بین دو قسمت آند استفاده می‌کند.
مگنترون سیکلوترون فرکانس
این نوع مگنترون تحت تأثیر عمل سنکرون کردن یک جزء متناوب میدان الکتریکی و نوسان پریودیک الکترون‌ها در یک مسیر مستقیم با میدان عمل می‌کند.
مگنترون موج رونده
این نوع مگنترون به اندرکنش الکترون‌ها با میدان الکترومغناطیسی رونده با سرعت خطی بستگی دارد. این نوع از لامپها به صورت ساده به عنوان مگنترون نامیده می‌شود.
مگنترون‌ها با مقاومت منفی معمولاً در فرکانس‌های زیر ناحیه مایکروویوی کار می‌کنند. اگرچه مگنترون‌های سیکلوترون فرکانس در فرکانس ناحیه مایکروویوی کار می‌کنند، قدرت خروجی آنها بسیار کم است (حدود 1 وات در GHZ 3) و راندمان آنها بسیار کم است. (حدود 10% در نوع آند دونیم شده و 1% در نوع تک‌آندی) بنابراین دو نوع اول مگنترون‌ها در این نوشتار مورد توجه نیستند.
مگنترون‌های استوانه‌ای
دیاگرام شماتیکی اسیلاتور مگنترون استوانه‌ای در شکل زیر نشان داده می‌شود. این نوع مگنترون، مگنترون قراردادی[2] نیز نامیده می‌شود.
در مگنترون استوانه‌ای چندین حفره به شکاف‌ها متصل شده‌اند و ولتاژ dc V0 بین کاتد و آند اعمال می‌شود. چگالی شار مغناطیسی B0 در راستای محور Z است. وقتی که ولتاژ dc و شار مغناطیسی به درستی تنظیم شوند الکترون‌ها مسیرهای دایروی را در فضای آند- کاتد تحت نیروی ترکیبی میدان الکتریکی و مغناطیسی طی می‌کند.
برای سالهای بسیار مگنترون‌ها منابع پرقدرتی در فرکانس‌هایی به بزرگی GHZ 70 بوده‌اند. رادار نظامی از مگنترون‌های موج رونده قراردادی برای تولید پالس‌های RF با پیک قدرت بالا استفاده می‌کند. هیچ‌وسیله مایکروویوی دیگری نمی‌تواند همانطور که مگنترون‌های قراردادی می‌توانند عمل مگنترون را با همان اندازه، وزن، ولتاژ و محدوده راندمان انجام دهد. در حال حاضر، مگنترون می‌تواند پیک قدرت خروجی تا KW 800 می‌رسد. راندمان بسیار بالاست و از 40 تا 70% تغییر می‌کند.
مگنترون کواکسیالی[3]
مگنترون کواکسیالی از ترکیب یک ساختار رزوناتوری آند که توسط یک حفره با Q بالا که در مورد TE011 کار می‌کنند احاطه شده است تشکیل شده است.
شیارهایی که در پشت دیواره حفره‌های متناوب ساختار رزوناتوری آند قرار دارند به طور محکمی میدان‌های الکتریکی این رزوناتورها را با حفره احاطه‌کننده کوپل می‌کنند. در عمل مود میدان‌های الکتریکی در همه حفره‌های دیگر هم فاز هستند و بنابراین آنها در جهت یکسان با حفره احاطه‌کننده کوپل می‌شوند. در نتیجه حفره کواکسیالی محیطی مگنترون را در مورد مطلوب تثبیت می‌کند. در مورد TE011 مطلوب میدان‌های الکتریکی مسیری دایروی را در داخل حفره طی می‌کنند و در دیواره‌های حفره به صفر کاهش می‌یابند. جریان در مورد TE011 در دیواره‌های حفره در مسیرهای دایروی حول محور لامپ جریان دارند. مودهای غیرمطلوب توسط تضعیف‌کننده در داخل استوانه داخلی شیاردار نزدیک انتهاهای شیارهای کوپلینگ میرا می‌شوند. مکانیزم تنظیم ساده و قابل اعتماد است. رزوناتور آند مگنترون کواکسیالی می‌تواند بزرگتر و با پیچیدگی کمتری نسبت به مگنترون قراردادی باشد. بنابراین بارگذاری کاتد کمتر است و شیب‌های ولتاژ کاهش داده می‌شوند
مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ[4]
مگنترون با قابلیت تنظیم ولتاژ یک اسیلاتور باند وسیع با فرکانس متغیر با تغییر ولتاژ اعمال شده بین آندوسل[5] است. همانطور که در شکل زیر نشان داده می‌شود پرتو الکتریکی از یک کاتد استوانه‌ای کوتاه از یک انتهای دستگاه ساطع می‌شود.
الکترون‌ها توسط میدان‌های الکتریکی مغناطیس به شکل یک پرتو توخالی درمی‌آیند و سپس به طور اساسی از کاتد به بیرون فرستاده می‌شود. سپس پرتو الکترونی به ناحیه بین سل و کاتد وارد می‌شوند. پرتو با سرعتی که توسط میدان مغناطیسی محوری و ولتاژ dc اعمال شده بین آند و سل کنترل می‌شود حول سل می‌گردد.
مگنترون با ولتاژ قابل تنظیم از یک رزوناتور با Q کم استفاده می‌کند و پهنای باند آن در سطوح قدرت کم از 50% تجاوز می‌کند. در مورد ، فرآیند دسته‌شدن پرتو توخالی در رزوناتور رخ می‌دهد و فرکانس نوسان توسط سرعت چرخشی پرتو الکترونی تعیین می‌شود. به عبارت دیگر فرکنش نوسان را می‌توان با تغییر ولتاژ dc اعمال شده بین آند و سل کنترل کرد.
در سطوح قدرت بالا و فرکانس های بالا درصد پهنای باند محدود است، در حالیکه در سطوح قدرت کم و فرکانس‌های بالا پهنای باند ممکن است به 70% برسد.