Yürüyen Dalga Tüpleri
Yürüyen Dalga Tüpü nedir?
Resim 1: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı: ① Elektron tabancası; ② Odaklayıcı mıknatıs; ③ Gecikme hattı (burada bir spiral); ④ Toplayıcı
Resim 1: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı: ① Elektron tabancası; ② Odaklayıcı mıknatıs; ③ Gecikme hattı (burada bir spiral); ④ Toplayıcı;
Resim 1: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı: ① Elektron tabancası; ② Odaklayıcı mıknatıs; ③ Gecikme hattı (burada bir spiral); ④ Toplayıcı; (Etkileşimli resim)
Yürüyen Dalga Tüpleri
Yürüyen Dalga Tüpleri (YDT) (Traveling Wave Tube, TWT) yükselteç olarak kullanılan vakum tüpleridir. Gürültü seviyesi düşük, kazancı yüksek ve geniş bantlıdırlar. Bir Yürüyen Dalga Tüpü iki oktavı aşan bir bant genişliğinde 40 ila 70 dB i bulan bir kazanca sahiptir.[1] Yürüyen Dalga Tüpleri şimdiden 300 MHz ila 100 GHz arasındaki frekans bölgesinde çalışabilmektedir.[1] Başarılabilmiş çıkış gücü birkaç Watt ila 10 MW arasındadır. Yürüyen Dalga Tüpleri esas olarak bir gerilim yükseltecidir. Klistron ve Yürüyen Dalga Tüpleri doğrusal ışıma tüpleridir ve bir özel grup olarak Hız Kontrol Tüpleri sınıfında yer alırlar. Yürüyen Dalga Tüplerinin iki ana tipi vardır:
- Spiral hatlı Yürüyen Dalga Tüpleri
radarlarda ve ölçüm aygıtlarında kullanılan, duyarlılığı yüksek, geniş bantlı ve düşük gürültülü yükselteçlerdir.
- Bağlaşımlı çınlayıcılardan (Coupled-Cavity) meydana gelen gecikme hatlı Yürüyen Dalga Tüpleri
Çapraz-Alan-Yükselticisine (Crossed Field Amplifier, CFA) sahip göndericilerde yükselteç ya da önyükselteç olarak kullanılırlar. Çıkış gücü oldukça yüksektir, ancak bant genişliği % 10 ila 20 daha azdır.
Her iki tipin çalışma prensibi aynıdır ve Resim.1 de gösterilen ana modüller her iki grupta da yer alır. Bununla beraber temel fark gecikme hattının yapısında ortaya çıkar. Yüksek bant genişliği ve düşük bir gürültü seviyesine sahip olması bakımından Yürüyen Dalga Tüpleri mikro dalga bölgesi için ideal yükselteçlerdir. Düşük gürültülü oluşu nedeniyle radar alıcılarında, radar göndericilerinde ve uydu iletişiminde çok sık kullanılırlar.
Fiziksel yapısı
Bir Yürüyen Dalga Tüpünün fiziksel yapısı Resim.1 de gösterilmiştir. Yürüyen Dalga Tüpü dört bölümden meydana gelir:
- Elektron tabancası, elektron demeti yaratır ve bu demeti tüpün boylamasına ekseni yönünde ivmelendirir;
- Manyetik odaklama düzeni, elektron demetine ana eksen boyunca bir kılavuz manyetik alan yaratır ve bir dar demet haline getirir;
- Etkileşim devresi olarak gecikme hattı, örneğin bir tüp içerisindeki tel spiral, yüksek frekansta düşük empedanslı bir hat meydana getirir;
- Toplayıcı. Elektron demeti toplayıcıda frenlenir ve gecikme hattını geçtikten sonra saptırılır.
Yürüyen Dalga Tüplerinin tüm parçaları bir yüksek vakumlu cam- ya da seramik gövde içindedir. Giriş ve çıkışlar, dalga kılavuzları ya da eşeksenel kablolarla yapılır. Aynı zamanda yönlü bağdaştırıcı ile bir galvanik yalıtım yapmak da mümkündür.
Resim 2: Odaklayıcı mıknatısın türleri: a) Elektro mıknatıs; b) Sabit mıknatıs; c) Periyodik sabit mıknatıs
Resim 2: Odaklayıcı mıknatısın türleri: a) Elektro mıknatıs; b) Sabit mıknatıs; c) Periyodik sabit mıknatıs
Elektron tabancası
Burada kullanılan elektron tabancasının yapısı katot ışınlı tüplerin tümünde kullanılan yapıya benzer. Genellikle, yeterli sayıda elektron salınımı sağlamak için bir ısıtıcı bobin ile 850° ila 1 100° C arasında bir sıcaklığa kadar dolaylı olarak ısıtılan bir katottan meydana gelir. Katodun etrafına, katotla aynı gerilime ya da biraz daha düşük bir negatif gerilime sahip ısıtılmamış bir plaka konulur. Böylece elektronların anot yönüne doğru hareketlenmesi sağlanır. Bir ya da daha fazla sayıda anot, elektronların yararlanabilir bir hıza çıkmasını sağlarlar. Elektronlar, anodu, bir delik ya da ızgara içinden geçerler ve bir elektron demeti olarak gecikme hattı boyunca yollarına devam ederler.
Meydana gelen tehlikeli iyonize ışımanın yayılmaması için elektron tabancası bir koruyucu kılıf içine alınmıştır.
Manyetik odaklayıcı
Elektron demeti ve gecikme hattının çevresini saran manyetik odaklama düzeni elektronları çok dar bir demete dönüştürür. Bu mıknatıs, bir sabit mıknatıs ya da elektromıknatıs olabilir (Resim. 2a ya bakınız). Sabit mıknatıs herhangi bir besleme kaynağına ihtiyaç duymaması ve bir manyetik alanı sürekli olarak sağlama gibi bir üstünlüğe sahiptir. Sakıncası ise; Yürüyen Dalga Tüplerinin gücünün en uygun kullanılabilmesini sağlayan manyetik akı değer ayarının yapılamamasıdır.
Eğer gerekli tek bir sabit mıknatıs yerine, birden daha fazla sayıda daha küçük mıknatıs kullanılırsa (Resim.2b ye bakınız). Yürüyen Dalga Tüpü yükseltecinin toplam ağırlığı önemli miktarda azalır.
Mıknatıs ve tüp arasında ekranlama amacıyla bir alüminyum mahfaza bulunur. Bu mahfazanın manyetik alandan etkilenmemesi için ferromanyetik malzemeden yapılmamış olması gerekir. Harici manyetik alanlar girişim (interference) sonucu, iç manyetik alanın düzgünlüğünü etkileyebilir ve hatta Yürüyen Dalga Tüpünü işe yaramaz hale getirebilir. Bu nedenle, Yürüyen Dalga Tüpleri, bu girişim alanlarına yeterli açıklığı sağlamak için büyük boy paketlerde tedarik edilir.
işareti
malzemenin etkisi
indüklenen gerilim
yoğunluk modülasyonu
Resim 3: Spiralde kuvvetlendirilmiş YF-işaretli
işareti
malzemenin etkisi
indüklenen gerilim
yoğunluk modülasyonu
Resim 3: Spiralde kuvvetlendirilmiş YF-işaretli
Geciktirme hattı
Elektron demeti içindeki elektronlar ışık hızından çok daha düşük bir hızla hareket ederler. Bu hız, 4 ila 120 kV arasında değişen katot gerilimine bağlı olarak ışık hızının yaklaşık % 10 ila 50 si civarındadır. Bir hattaki elektromanyetik dalgaların yayılma hızı ışık hızının yaklaşık % 66 ila 80 i arasındadır. Bu nedenle gecikme hattı, içinde hareket eden yüksek frekansın elektronların hızına düşürmesi gerekir. Bu, daima dolambaçlı yolların yardımıyla gerçekleşir. Bu dolambaçlı yollar spiral ya da zikzak biçimli olabilir.
Toplayıcı
Toplayıcı da Yürüyen Dalga Tüplerinin bir elektrotudur. Katot çok yüksek bir negatif gerilime bağlıyken, toplayıcı genellikle toprağa bağlıdır. Bu bakımdan bir anot gibi hareket eder. Eğer Yürüyen Dalga Tüplerine herhangi bir giriş gerilimi uygulanmamışsa, toplayıcı, elektron demetinin tüm enerjisini soğurabilmelidir. Bu nedenle çok yüksek çıkış gücüne sahip Yürüyen Dalga Tüplerindeki toplayıcının cebri soğutulması gerekir. Bu, bir hava soğutma ya da sıvı soğutma ile olabilir. Dünyada kullanılan Yürüyen Dalga Tüplerinde bu soğutma radyant sistemle yapılmaktadır. Çok yüksek güçlü Yürüyen Dalga Tüplerinde, toplayıcı, Resim.1 de görüldüğü gibi, birkaç kademeli yapılır.
Resim 4: Elektronların hız modülasyonu ve ardından kümelenmesi
Çalışma prensibi
Bir yüksek frekanslı giriş gerilimi, elektron demetiyle aynı yayılma hızına sahip olana kadar gecikme hattı tarafından geciktirilen ve böylece belirli elektronlara daha uzun bir süre etki edebildiği bir ilave elektrik alanı meydana getirir. Elektronlar elektrik alanı salınımının pozitif yarı dalgasında ilaveten ivmelenirler, buna karşılık negatif yarı dalga süresince frenlerler. Bu olaya Yürüyen Dalga Tüplerinin hız modülasyonu denir. Şimdi, yavaş elektronlar daha hızlı elektronlar tarafından yakalanmaktadır. Bunun ardından elektronlar demetlenir (Resim.4 e bakınız).
Resim 5: Elektronların spiralin tellerinde yer değiştirmesi
Sonuç olarak elektromanyetik dalga enerjisini elektronlara bırakır. İlaveten, dalganın enerjisi hemen hemen sıfıra kadar indiren bir zayıflatıcı katman etkili olur ve bu zayıflatıcı katman aynı zamanda kendini yeniden uyartmaya (self-excitation) yol açacak geriye yansıyan dalgaları da önler.
Bununla beraber, elektronların demetlenme süreci devam eder. Elektronların hızı hâlâ birbirinden farklıdır, böylece demetleşme yoğunlaşır. Bu demetleşme elektron demetinin en başından en sonuna kadar etkindir ve spiralin bitiminde elektron paketi en büyük biçimini alır. Şimdi elektron demeti enerjisini gecikme hattına bırakır. Demet, elektronları spiralin telleri boyunca hareketlendirir, böylece tekrardan bir yeni salınım meydana gelir. Bu salınım şimdi sürekli yükseltilir ve böylece yüksek frekanslı gerilimin genliği başlangıç değerinin çok ötesine yükselir.
Gecikme hattındaki salınımlar giriş işaretine göre −90° bir faz farkıyla gerçekleşir. Elektron demetindeki elektronlar enerjilerini salınımlara bırakmasının ardından yavaşlarlar. Bazı Yürüyen Dalga Tüplerinde tüpün sonuna doğru spiralin çapı girişe göre daha dardır, böylece bu daha düşük hız dengelenir.
Elektriksel özellikleri
Resim 6: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün karakteristikleri
Resim 6: Bir Yürüyen Dalga Tüpünün karakteristikleri
Gücün yükseltilmesi
Yürüyen Dalga Tüplerinde gerçekte sadece tek bir gerilim yükseltme olayı gerçekleşir. Hat empedansının sabit olması nedeniyle, daha yüksek bir gerilim daha yüksek bir akım yaratır ve her ikisi birlikte daha büyük bir güç meydana getirir. Ulaşılabilir kazanç katsayısı büyük ölçüde aşağıdaki etmenlere bağlıdır:
- Yapısal detaylar (örneğin, spiralin uzunluğu)
- Manyetik odaklama düzeni, elektron demetine ana eksen boyunca bir kılavuz manyetik alan yaratır ve bir dar demeti haline getirir;
- Giriş gücü (Resim. 6 ya bakınız)
- Spiralin gerilimi UA2
Resim. 6 da görüldüğü gibi küçük giriş güçleri doğrusal bölgededir ve böylece kazanç yaklaşık 26 dB civarındadır. Eğer giriş gücü daha da arttırılırsa bu kez çıkış gücü artmayacak, yani kazanç katsayısı düşecektir. Giriş işaretlerinin daha da kuvvetli gelmesi durumunda, bir sonraki katı (örneğin, karıştırma katını) doyuma sürüklemeyi engelleyecek bir sınırlama etkisi ortaya çıkar.
Bant genişliği
Yürüyen Dalga Tüplerinde yükseltme etkisi, bir gecikme hattı üzerinde ilerleyen dalga ile elektron demetinin karşılıklı etkileşmesi ile elde edildiğinden, ulaşılabilir bant genişliği için öncelikle spiralin frekans tepkisi (frequency response) sorumludur. Eğer bu hat uyumlu çalıştırılırsa, o zaman yalnızca bir hat üzerinde frekanstan-bağımsız bir alan dağılımı korunabilir. Bu uyum yalnızca bir sınırlı frekans bandı içinde sürdürülebilir, fakat bir spiralle hâlâ iki oktavdan daha büyük değerler elde etmek mümkündür. Eğer bu hat ilaveten tınlaşım yapabilen parçalara da sahipse, o zaman bant genişliğinin değeri bu parçaların frekans tepkisine bağlı olur. Bu nedenle, bağlaşımlı çınlayıcılardan (coupled-cavity) meydana gelen gecikme hatlı Yürüyen Dalga Tüplerinde bant genişliği merkez frekansın (intermediate frequency) yalnızca % 10 ila 20 si arasındadır.
Gürültü katsayısı
Yürüyen Dalga Tüplerinin, bir radar alıcısında gürültü katsayısı düşük bir YF-ön yükselteç olarak kullanılması durumunda burada en öne çıkan parametre gürültü katsayısı (noise figure) olur. Bu parametrenin özellikle alıcının duyarlılığı ve radarın en büyük menzili üzerinde çok önemli bir etkisi vardır. Günümüzde kullanılan Yürüyen Dalga Tüplerinde gürültü katsayısı 3 ila 10 dB arasındadır. Bir Yürüyen Dalga Tüpünün özgün gürültüsünün kaçınılamayan üç nedeni şunlardır:
- Elektronların katottan rasgele salınımı sonucu Schottky etkisi;
- Katottan elektronların salınması sırasında değişik hızları nedeniyle meydana gelen akım dağılım etkisi;
- Elektronların ısıl özgün hareketleri ile ortaya çıkan Johnson-Nyquist-Gürültüsü.
Gürültü katsayısı büyüklüğü, genellikle Yürüyen Dalga Tüplerinin besleme gerilimiyle doğrudan ilişkilidir. Örneğin, geriliminin en uygun değerinden sadece % 5 lik bir sapma bile gürültü katsayısını yaklaşık iki kat arttırır.
Gecikme hattının değişik yapıları
Şimdiye kadar bahsetmiş olduğumuz bir spiral biçimli geciktirme hattı yerine farklı yapıya sahip geciktirme hatları da kullanılabilir. Ayrıca; Şerit Dizisi (Ring-Bar), Halka Dizisi (Ring-Loop) ve bağlaşımlı çınlayıcılardan meydana gelen Bağlaşımlı Çınlayıcı Dizisi (Coupled-Cavity) denilen geciktirme hatları da bulunmaktadır. Seçilen gecikme hattının tipinin; kazanç, çıkış gücü ve bant genişliği gibi parametrelerin erişilen değerleri üzerinde çok büyük etkisi vardır.
Ters-sarımlı spiral gecikme hattı
Şerit dizisi ve halka dizisi tipi gecikme hatlarının geliştirilmesindeki ara adım ters sarımlı spiral gecikme hattıdır (Resim.7 ye bakınız). Bu yapıda ters yönde sarılmış aynı boyutlarda iki adet spiral yer alır. Bu iki spiral, kesiştiği noktalarda birbiriyle temas eder. Bu tür gecikme hattı ters dalgalara karşı daha az duyarlıdır ve dolayısıyla daha yüksek gerilim ve akım ve bunun bir sonucu olarak daha yüksek çıkış gücü elde etmek mümkün olur. Sakıncası ise basit tip spirale göre bant genişliğinin daha az olmasıdır.
Halka-dizisi tip gecikme hattı
Resim 8: Halka dizisi tip gecikme hattı
Bir halka dizisi tip gecikme hattı şeritlerle bağlanmış eş merkezli halkalardan meydana gelir. Bu aygıtların klasik spiralli tip Yürüyen Dalga Tüplerine göre çıkış gücü daha fazladır, ancak merkez frekansının sadece % 5 ila % 15 i aralığında değişen çok daha küçük bant genişliğine sahiptirler ve aynı zamanda halka yüzeylerin enine kapasitansı (transverse capacitance) nedeniyle sınır frekansı yaklaşık 18 GHz gibi daha düşük bir değerdir.
Çalışma koşulları altında öne çıkan özelliği, yüksek bağlaşım empedansı ve harmonik oluşumuna karşı daha az duyarlı olmasıdır. Halka dizisi tip gecikme hatlı Yürüyen Dalga Tüpleri 40 ila 60 dB gibi çok yüksek bir kazanca sahiptir. Mekaniksel yapısı biraz daha küçüktür, daha yüksek işletme gerilimi altında çalışabilir, aynı zamanda ters dalgalar sonucu oluşan kendiliğinden uyartım (self-excitation) tehlikesi daha azdır.
Resim 9: Şerit çubuk tip gecikme hattı
Şerit-halka dizisi tip gecikme hattı
Şerit halka dizisi tipi Yürüyen Dalga Tüpleri ters sarılmış spiralden geliştirilmiştir ve halka dizisi tipi Yürüyen Dalga Tüpleri ile aynı karakteristiklere sahiptir. Üretimi basittir, bir ince bakır borunun lazerle hassas kesilmesiyle imal edilebilir.
Resim 10: Bağlaşımlı çınlayıcılı (coupled-cavity) tip gecikme hattı
Bağlaşımlı-çınlayıcı tip gecikme hattı
Böyle bir gecikme hattı, her bir katlamada, uyum (adaptation) için bir ağzın (orifice) bulunduğu, dolambaçlı katlanmış bir dalga kılavuzu gibi düşünülebilir. Bu aslında yayılma hızlarının uyarlanması için kullanılan bir dolambaçlı yoldur.
Bağlaşımlı çınlayıcılı Yürüyen Dalga Tüplerinde, gecikme hattı olarak, elektron akımının içinden aktığı ve karşılıklı yarıklar bulunan ve böylece bir bağlaşımlı hattın meydana geldiği, ayarlanabilir kovuklu çınlayıcılar kullanılır. Resim.10 da mavi renkle gösterilen YF-hattı çınlayıcıların bağlaşım yarıklarından zikzak bir yol izleyerek geçer ve böylece kırmızı renkle gösterilen elektron akımı içten sürekli ilerler.
Bireysel çınlayıcılarının yüksek kalitesi nedeniyle, bağlaşımlı kovuklu Yürüyen Dalga Tüpü daha yüksek bir güç artışına, daha iyi bir üst sınır frekansına sahiptir, ancak çınlayıcılarının frekansa bağımlı oluşu nedeniyle bant genişliği daha azdır. Bağlaşımlı çınlayıcılı Yürüyen Dalga Tüpleri yaklaşık 25 kW bir sürekli bir güçte 100 kW lık bir darbe gücüne ulaşırlar.
Yürüyen Dalga Tüplerin resimleri
Resim 11:
HADR Radarında kullanılan yüksek güçlü Yürüyen Dalga Tüpü VTR 572B
Resim 12: P-37 “Bar Lock” Rus radarında kullanılan düşük güçlü Yürüyen Dalga Tüpü UV-1B (Kiril alfabesi ile: УВ-1Б) (Büyütülmüş kısım içinde spiralin 20 turu yer almaktadır.)
Kaynak:
- Alexander S. Gilmour jr.: ''Principles of Traveling Wave Tubes'', (Eğitim materyali ile birlikte), Mart 2014, ISBN 978-1-4951-0431-2