Radar végfokozatok A rádiólokátorok megjelenése és működési elve A kegyetlen I. Világháború befejezése szinte semmilyen korábbi problémát nem oldott meg. A nagyhatalmak között a feszültség továbbra is megmaradt. A háború okozta nagy vérveszteség és gazdasági megrendülés után, észrevehető és várható volt, hogy Európa és a világ egy újabb háború felé sodródik. A nagy háború folyamán minden résztvevő fegyvertárában megjelentek új eszközök. A szárazföldi harcokban az önjáró páncélos lövegek, vagyis a tankok, a tengeren a veszélyes tengeralattjárók és a levegőben a harci repülőgépek. Az új fegyverek továbbfejlesztése mellett fontossá vált az ellenük való védekezés kérdése. Ennek első és egyik legfontosabb területe a felderítés, az időben történő észlelés. Egymástól függetlenül és sokáig sikeresen titkolt módon intenzív, rohamos fejlesztés indult a németeknél és angoloknál egyaránt, egy új, a rádióhullámok segítségével történő felderítő-mérő eszköznek a létrehozására. Ez volt a RADAR, amit a Radio Detection And Ranging angol szavak kezdőbetűiből alkottak. Magyarul inkább a rádiólokátor elnevezést használjuk. Ismert volt a jelenség, hogy egy tárgyat, különösen a fémtárgyakat ért rádiósugárzás a tárgy felületén szétszóródik, s így kis része visszajut a besugárzás irányába. A cél az, hogy ezt felfogjuk és a vett jel alapján a céltárgyat felderítsük (detektáljuk) és lehetőleg a legfontosabb helyzetadatait megmérjük: Ferdetávolság R Oldalszög Magassági szög Radiális sebesség vr Ezek időbeli változásából a mozgás irányát, a haladás sebességét, gyorsulását is meghatározhatjuk és a vett jel egyéb jellemzőiből esetleg a céltárgy alakjára, anyagára, minőségére is következtethetünk. A rádiólokátor elvi működését mutatja az 1. ábra, ahol nagyon gyakran közös adóvevő antennát használnak. Céltárgy „”
Pa Pa
Pv min
ADÓ
VEVŐ
INDIKÁTOR
( R, vr ) 1. ábra. Rádiólokátor berendezés működési elve.
A rádiólokátor alapegyenlete alapján meghatározható a maximális hatótávolság passzív céltárgy esetén (a céltárgyról csak passzív reflexió érkezi vissza).
R
0p =
4
4
P P
a
v min
G = 4
4
4
P P
a
v min
A
h
Az összefüggésben szereplő mennyiségek: R0p= a rádiólokátor hatótávolság (m); = a céltárgy reflektáló hatásos keresztmetszete (m2); Pa = az adó teljesítmény az antenna bemenetén (W); Pv min = a céltárgy észleléséhez szükséges teljesítmény a vevő bemenetén (W); G = az adásra és vételre egyaránt használt antenna nyeresége (viszonyszám); = a szabadtéri hullámhossz a működési frekvencián (m); Ah = az antenna hatásos felülete (m2), átszámítás: G/Ah = 4/2; Látható, hogy a 4 alatti mennyiségek változtatásával csak igen lassan változik a hatótávolság. Így 16 szoros adóteljesítmény növeléssel, vagy 16 szorosan érzékenyebb vevővel, csak 2 szeresére növekszik a hatótávolság. A vevő érzékenységének javításával a zavarérzékenység is megnő, ezért, ha mód van rá célszerű az adó teljesítmény növelése is. A kettő együtt hatékony javulást eredményez. Az 1920 -30-as években kiemelt kutatás-fejlesztés indult meg, mind a kiszajú erősítők, mind a nagyteljesítményű adó eszközök kialakítására. 2 gyökös módon növelhető a hatótávolság az antenna méretének növelésével, ill. a hullámhossz csökkentésével. Az antenna mérete egy reális értéken túl nem növelhető, mert az antennát forgatni, mozgatni kell. A hullámhossz csökkentésének, vagyis a működési frekvencia növelésének az adó eszköz felső működési frekvenciája szab határt. Vegyünk egy példát, a II. Világháború kezdetének időszakában reálisan megvalósítható lokátor paraméterekkel! Pv min = FkT0 B (W);
ahol
k = 1,38 10-23 (Ws/K0) a Boltzmann-állandó, T0= 293 (K0), ami szobahőmérsékletnek felel meg, B = 1 (MHz) legyen, ez a vevő sávszélessége, F = 10 (szám) legyen, ez a vevő zajtényezője.
Pv min = 10 1,38 10-23 293 106 = 4 10-14 (W), = 2 (m2) legyen, mert repülőgépeknél ez kb. 1 10 közötti érték, = 1 (m) legyen, ez 300 (MHz) működési frekvenciának felel meg, G = 20 (dB) antenna nyereség, ami 100 szoros viszonyt jelent, Pa = 100 (kW) ez akkoriban a nagyobb teljesítményű kategóriát jelentette. Behelyettesítve a számértékeket a képletbe, kiszámíthatjuk a hatótávolságot.
5 2 10 100 1 4 4 R0 p 4 4 1014 4 7 10 m 70km
Látható, hogy a 70 km-es hatótávolság a kb. 5 – 10 perces repülési időt jelent, ami nagy segítséget nyújt a lakosság légoltalmi riadóztatásához, de kevés időt ad a vadászgépek fölemeléséhez és hatékony támadásukhoz. Ez indokolta a nagyobb adó teljesítményű eszközök és a jóval kisebb zajú vevő csövek intenzív fejlesztését. Triódás erősítő A rádiólokátor adók, az adáshoz szükséges nagyfrekvenciás rezgéseket állítják elő a megkívánt teljesítmény szinten. Természetes módon, az ekkor már ismert és gyártott elektroncsövek továbbfejlesztésének útján indultak el. A mikrohullámú elektroncsövek speciális kialakításúak, de ezzel együtt alapvető működésük nem tér el a kisfrekvenciás eszközök régóta ismert működési elvétől és alkalmazásától. (A triódát 1907-ben Lee de Forest fedezte föl.)
2. ábra. a) Klasszikus hengeres felépítésű trióda rajza és b) konstrukciós rajza. Az elektroncső fémszerkezete egy zárt üvegballonban van, melyből lezárása előtt leszívták a gázokat. Az ilyen eszközöket „vákuum csöveknek” is szokták nevezni. A katód henger általában nikkelből készített fémcső, melyet jó elektron emissziós képességgel rendelkező BaO (báriumoxid), vagy SrO (stroncium oxid) réteggel vonnak be. Az elektron emisszióhoz a katódot fűteni kell. A fűtés általában közvetett kialakítású. A fűtőszál a katódtól jól el van szigetelve, általában berillium oxid és alumínium oxid réteggel, melynek a kb. 1200 C0 fűtési hőmérsékletet is jól kell bírnia. A fűtés és a katód táplálása külön választható és így a katód henger biztosan ekvipotenciális felületet alkot. A katód körül koncentrikusan egy vékony fémdrótból készült laza spirális, vagy rácshenger képezi az elektroncső rácsát. Még távolabb koncentrikusan, zárt hengerként, vékony fémlemezből alakítják ki az anódot. Az anód anyaga kisebb teljesítményeknél nikkel vagy vas,nagyteljesítményű adó csöveknél tantálból, molibdénből vagy grafitból készítik. Az anód felületét a jobb hőleadás érdekében érdessé teszik és befeketítik. Még így is, az anód hőmérséklete nagyteljesítményű csöveknél néhány 100 C0 is lehet.
Az elektródák kivezetését jó minőségű fém-üveg forrasztás képezi, mert a nagy hőingadozásokat is ki kell bírnia megrepedés nélkül. Az elektroncső üveg búrájának lezárása előtt 200 – 300 C0–ra hevítve kiszivattyúzzák a levegőt, majd további szivattyúzás mellett, nagyfrekvenciás hevítéssel fölizzítják a fém alkatrészeket, hogy a belőlük felszabaduló gázok sem maradjanak a csőben. A katód formálása után, a véglegesen leforrasztott csövet még gletterezik, vagyis gáz elnyelő anyagot (például Ba) párologtatnak el, az elektroncső tartós jó minőségű vákuum állapotának megőrzésére. Az elektroncső jó működéséhez a vákuumnak legalább 1,33 10-5 -- 1,33 10-6 Pa értékűnek kell lennie, hogy a csőben mozgó elektronok mozgásuk közben ionokkal ne ütközzenek. Ia Anód Rács
Ua Ug
Fűtés
Katód
3. ábra. A trióda elvi kapcsolási rajza. A fűtött katód nagyszámú elektron kibocsátására képes. Ha az anódra a katódhoz képest Ua pozitív feszültséget kapcsolunk, az anód – katód között fellépő elektromos térerősség (E) hatására a katód felületén lévő elektronokra F=e E erő hat, minek hatására az elektronok elindulnak egyre gyorsulva az anód felé. Ha a rács feszültsége Ug = 0, akkor a laza nagy rácshézagú rácshálón akadály nélkül áthaladnak és az anódba csapódnak. Így kialakul az Ia anódáram, mely megállapodás szerint az elektronok fizikai mozgásával ellentétesen, az anódtól a katód felé folyik a csövön belül. Működés közben az elektroncső elektronokkal van telítve, ezt az állapotot tértöltésnek nevezzük. Hasonlóan a dióda működéséhez, az anód feszültség növelésével egyre több elektron jut el az anódhoz, vagyis az anód feszültség növelésével meredeken nő az anódáram. A trióda harmadik elektródájának, a rácsnak a szerepe abban van, hogy befolyásolni tudjuk a katódtól az anód felé áramló elektronok számát, vagyis az anódáramot. Ha a rácsra negatív feszültséget kapcsolunk, a katódhoz közel lévő rács ellentétes taszító erőteret hoz létre és a kilépő elektronokat visszakényszeríti a katódra. Jóval nagyobb anódfeszültség hatására „átnyúlik” az anód erőtere a rácson, s így úja megindul az anódfeszültség növelésével rohamosan növekvő anódáram. A rácson lévő negatív fezsültség miatt elektronok nem csapódnak a rácsba, így rácsáram nem folyik. Az x. 4. ábrán egy kisteljesítményű trióda szokásos karakterisztikáit látjuk. A trióda viselkedésére két jellemzőt könnyen értelmezhetünk a jelleggörbék alapján: A meredekséget, ennek jele S és a belső ellenállást, ennek jele Rb.
I S a U g
U a const
R
U a b I a
U g const
4. ábra. Az ECC81 típusú trióda karakterisztikái: a) Anódáram – rácsfeszültség, b) Anódáram – anódfeszültség. Az S értékét leolvashatjuk az a) ábra egyik kiragadott Ua= const. görbéjének meredekségeként. Az Rb értékét meghatározhatjuk, ha az a) ábra karakterisztikáin, egy adott Ug állandó érték mellett, vagyis a függőleges koordináta mentén leolvassuk bármelyik két karakterisztika anódfeszültség paramétereinek különbségét (Ua) és a hozzá tartozó anódáram értékek különbségét (Ia) Rb= Ua/Ia számolható. Nagyfrekvenciás működés A futási idő kérdése A trióda katódjából az elektronok v=0 sebességgel lépnek ki. Az anódfeszültség pozitív erőtere felgyorsítja az elektronokat, vagyis energiát ad át a vele szemben mozgó elektronoknak. Miközben az elektronok U1 potenciálú pontról az U2 potenciálú pontig mozognak (U2 – U1)e=U0e energiát vesznek át az erőtértől, s közben v=0-ról, v0-ra változik a sebességük. A potenciális energia, melyet az egyenáramú tápegység biztosít az anód – katód kötött, az elektronok mozgási energiájává alakul.
U 0e
1 2 mv0 2
v0 2U 0
e m
Ahol, e = 1,60310 -19 (coulomb), m = 8,9910 -21 (kg) az elektron töltése és tömege. Az elektronok a katódtól a rácsig véges idő alatt jutnak el. Ez a futási idő. Az egyre nagyobb frekvenciákon, a rácsra adott vezérlőjel periódus ideje összemérhető lesz az elektronok futási idejével. Ez a nagyfrekvenciás alkalmazást lerontja. Kiküszöbölésére a technikailag megoldható legkisebb katód – rács, ill. rács – anód távolság megvalósítására törekedtek. Így alakult ki a síkelektródás trióda, melynél a katód – rács távolság csak néhány század mm. Különösen, nagyteljesítményű működés közben az elektroncső több 100 C 0 fokra is fölmelegedhet, ami a vékony rácsháló megnyúlását okozhatja. Elkerüléséhez a rácshálót olyan mértékig előfeszítik, hogy a háló vetemedése ne következhessen be. Ezek az un. feszített rácsú csövek.
Parazita elemek Az elektroncső belső felépítéséből adódóan az elektródák között párhuzamos kapacitások lépnek föl ( Cgk, Cga, Cak ), az elektródák kivezetései pedig induktivitásokat képeznek. Ezeknek a hatásait kisfrekvenciás működéskor gyakorlatilag elhanyagolhatjuk, de magasabb frekvenciákon számolni kell velük. Ezen elemek bevonásával célszerű méretezni a külső rezonáns köröket. A kapacitások drasztikus csökkentésére nincs lehetőség, de a huzalos kivezetések helyett tárcsás kivezetéseket használva, a soros induktivitások nagysága erősen lecsökkenthető. A tárcsás kivezetések jól csatlakoztathatók mind a koaxiális, mind a csőtápvonalas elrendezésű rezonátorokhoz. Nagyteljesítményű csöveknél az anódot teljes keresztmetszetében tömör rúdként hagyják meg, hogy ezzel a kellő hőelvezetést biztosítani tudják. Gyakran az üvegtest helyett kerámiát használnak, ami növeli a csövek hőállóságát és mechanikai szilárdságát. Egy ilyen elektroncső metszetét mutatja az 5. ábra. Alakja miatt világítótorony csőnek is szokták nevezni.
5. ábra. Világítótorony cső 1 - anódcsatlakozó rúd; 2 - sík anód felület; 3 - feszített rács; 4 – rács csatlakozás; 5 – sík katód felület; 6 – fűtőszál; 7 – nagyfrekvenciás tárcsás katódcsatlakozás. Jól használhatók koaxiális áramköri környezetben, célszerűen az ilye elrendezéshez kialakított un. ceruza triódák. Ezekben a csövekben az elektródák nagyobb felületűek, hengeres felépítésűek, így meredekségük nagyobb és jobb a hőelvezető képességük. Ilyen ceruza triódát mutat a 6. ábra.
6. ábra. Ceruza trióda metszeti rajza. A mikrohullámú erősítőknél leggyakrabban alkalmazott elrendezés az un. földelt rácsú kapcsolás. Ez előnyös megoldás, mert a külső 0 potenciálon lévő rács természetes módon, jól elválasztja a bemenő katódkört a kimenő anódkörtől. Egy földelt rácsú kapcsolás elvi rajzát mutatja a 7. ábra. i U U1
R2
R1
U2
Rt
R1
7. ábra. Földelt rácsú kapcsolás elvi rajza. A bejövő és kimenő áramköröket ki kell hangolni a működési frekvencián, így mindkét oldalon a reaktanciáktól eltekinthetünk. A meghajtó áramkört illesztjük az elektroncső R1 kihangolt bemenő ellenállásához, hogy a maximális meghajtó teljesítménnyel dolgozhassunk. A bemenő teljesítmény P1.
U12 P1 R1 A cső mikrohullámú meredeksége, a futási idő miatt kisebb, mint az alacsony frekvenciás meredekség. Ezt vegyük /S/ -nek. Az anódkörben a nagyfrekvenciás áram nagysága / i / a meredekséggel arányos.
/ i / / S / U1 Így a kimeneten, az R2 és Rt ellenállásokon fellépő feszültség értéke U2 lesz.
U 2 / i /
R2 Rt R2 Rt
A kimenő hasznos teljesítmény a terhelő ellenálláson Pt.
R22 Rt U 22 2 2 Pt U1 / S / Rt ( R2 Rt ) 2 Az erősítő fokozat teljesítmény erősítése G = Pt / P1, amit nyereségnek nevezünk:
Pt R1 R22 Rt 2 G /S/ P1 ( R2 Rt ) 2 Maximális nyereséget a kimenő kör illesztése estén kapunk, Rt = R2 esetén:
Ha
Rt R2 ,
akkor
Pt max
És így a fokozat maximális teljesítmény erősítése Gmax lesz.
Gmax / S / 2
R1 R2 4
Az így kiszámolt erősítés az üregrezonátorok által meghatározott f0 sávközépi frekvencián várható. A sávközép körül csak keskeny B sávszélességben kaphatunk megfelelő erősítést. Az elektroncső kapacitásai és az üregrezonátorok együttes Q jósági tényezője korlátozza a sávszélességet, ami néhány százalék lehet. Egyfokozatú triódás erősítővel alacsonyabb frekvenciákon 1000 -2000 MHz között 10 – 16 dB, de még 3000 – 4000 MHz működési frekvencián is 8 – 10 dB erősítés érhető el.
hangoló dugattyú csatoló írisz hangoló dugattyú csatoló írisz szigetelt katód fűtés
8. ábra. Mikrohullámú triódás erősítő csőtápvonalban. A rács kivezetés galvanikusan, míg az anód és katód egyenáramúlag szigetelten, de nagyfrekvenciás kapacitív átvezetésen keresztül csatlakozik a csőtápvonalhoz. Az anód és katód üregek függetlenül hangolhatók. A ki- és bemeneti csatolásokat „írisszel” oldották meg. Az írisz egy a tápvonal keresztmetszetébe forrasztott fémlemez, melyen méretezés alapján ablakot vágnak. Ha a mikrohullámú triódás erősítőnél a kimenetről a bemenetre megfelelő visszacsatolást alkalmazunk, akkor a cső oszcillátorként fog működni. Visszacsatolás kialakítható pl. az üregek közötti csatoló réssel, esetleg csatoló szondával, de egyéb más megoldással is. A triódák rezgéskeltésre magasabb frekvenciáig használhatók, mint erősítőként.
Az egyszerűbb kezelés érdekében gyakran használják az egyetlen hangoló elemmel beállítható oszcillátort. Ilyen oszcillátor felépítésének elvi rajzát mutatja a 9. ábra és egy hasonló elven megvalósított konstrukció látható a 10. ábrán.
9. ábra. Visszacsatolt rezgőkörös oszcillátor Az anód-rács üreg nyitott vége csatolásban van a katód-rács üreggel. A rezgési frekvenciát alapvetően a nyitott végű rács henger hossza határozza meg. Az anódkatód dugóval csak kismértékű hangolás lehetséges. Anód-rács hangoló rúd közelítőleg Katód henger
tápfesz hozzávezetés
/4
Anód henger
+Ua
Rács henger közelítőleg 3/4 Katód-rács üreget hangoló rövidzár
Munkapontot beállító RC kör
10. ábra. Triódás oszcillátor konstrukciós rajza. A távolság mérő rádiólokátoroknál leggyakoribb az impulzus modulált működés. Az üzemarány, vagyis az impulzus időtartama az ismétlődési időhöz képest akár a/Ti =1/1000 is lehet. Az oszcillátort csak rövid időre kell bekapcsolni. A kis átlagteljesítmény mellett, jóval nagyobb impulzus csúcsteljesítménnyel járathatjuk a csövet. Ezt az anódfeszültség növelésével érhetjük el, ami lecsökkenti az elektronok futási idejét, s ez által a cső még nagyobb frekvenciás működésre is képes lesz. Az impulzusműködéshez az oszcillátor ki-be kapcsolását a rácsfeszültség vezérlésével is végezhetnénk, de tapasztalat szerint kedvezőbb, ha az anódot kapcsoljuk. Ehhez, valamilyen nagyteljesítményű kapcsolócsőre van szükség.
Klisztron erősítő Az elektron nyaláb sebesség modulációján alapuló eszköz. Triódáknál, a rács fékező hatásán átnyúló pozitív anód gyorsító tere, csak lassan tudja felgyorsítani a katódból v=0 sebességgel kilépő elektronokat. Nagyfrekvenciás alkalmazásoknál a katódtól a rácsig olyan hosszú a repülési idő, hogy összemérhetővé válik a vezérlő jel periódus idejével. Ez a hatás, igen kis rácstávolságok mellett sem szűntethető meg, így korlátozza a triódák magasabb mikrohullámú frekvenciás használatát. A klisztron működése éppen az elektronok futási idejének célszerű fölhasználásán alapul. Az elektronok a jel periódus idejénél akár többször akkora ideig repülhetnek a vákuumtérben. A klisztron működése azon alapszik, hogy U0 magas egyenfeszültséggel, v0 nagy sebességre fölgyorsított, jól fókuszált, vékony elektron nyaláb egy üregrezonátor keskeny résén átrepülve, kölcsönhatásba lép az ott lévő nagyfrekvenciás elektromos térrel.
a résben lévő feszültség elektron nyaláb
U.sint
fűtés gyorsító,
katód
v0
ritkulás
csomósodás
fókuszáló
rezgő üreg
Uk=0
Ua=+U0
11. ábra.
A sebességmodulálás elve.
Feltételezhetjük, hogy amíg a gyors elektronok átrepülnek a keskeny résen, a résben fellépő nagyfrekvenciás feszültség értéke olyan kicsit változik, hogy azt állandónak tekinthetjük. Számoljuk ki mekkora lesz az elektronok sebessége a moduláló keskeny rés elhagyása után! A résben lévő feszültség U0+U sint. A kilépő elektronok mozgási energiája megegyezik az elektromos tér potenciális energiájával. Vagyis
1 2 mv e(U 0 U sin t ) 2 2
Ebből kifejezhetjük a kilépő elektronok sebességét
v
2eU 0 U 1 sin t m U0
Vezessük be az anódfeszültséggel felgyorsított elektronok sebességére a
v0
2eU 0 m
Mivel a résben lévő váltakozó feszültség jóval kisebb az U0 egyenfeszültségnél, jó közelítéssel tovább egyszerűsíthetjük a gyökös formulát.
v
2eU 0 1U 1U 1 sin t v0 1 sin t m 2 U0 2 U0
A résből kilépő elektronok sebessége változik a nagyfrekvenciás jel időfüggvénye szerint. Azok az elektronok, amelyek jó fázisban, vagyis a vezérlő jel pozitív fél periódusában jutnak át a résen, megnövekedett sebességgel hagyják el azt. Azok az elektronok, melyek a feszültség nulla értékénél futnak át változatlanul megtartják sebességüket. A negatív fél periódusban áthaladó elektronokat lefékezi a nagyfrekvenciás tér, s ezért lelassulva lépnek ki a résből. Mivel, az eddig egyenletesen áramló elektronok sebessége a résen áthaladva megváltozott, a későbben érkező, de nagyobb sebességre szert tett elektronok a rés utáni térben valahol utolérik a korábban átjutott lelassult elektronokat, sőt el is hagyhatják azokat és utolérhetik a fél periódus idővel még korábban átrepült elektronokat is. A rés utáni térben sűrűsödések és ritkulások alakulnak ki, vagyis nem homogén elektron nyaláb halad a kollektor felé, hanem elektroncsomagok sora. A legnagyobb csomósodás helye meghatározható. Ide célszerű elhelyezni egy másik, az előzőhöz hasonló üregrezonátort, melynek a résén hirtelen, lökésszerűen áthaladó legnagyobb elektron csomag berezgeti az üreget. A berezgés következtében a második üreg résében szinuszos feszültség alakul ki, ami a később folyamatosan érkező elektron csomagokkal kölcsönhatásba lép. Ha az üreg résében az elektron csomag éppen fékező térrel találkozik, akkor az elektronokat lefékezi, így azok átadják mozgási energiájukat a nagyfrekvenciás térnek. Az üreget hangoló elemekkel be lehet úgy állítani, hogy ez az állapot álljon elő. Az első un. „moduláló” üregbe bevezetett nagyfrekvenciás jelet, a második üregből jóval nagyobb szinten vehetjük ki. Így működik a két üreges klisztron erősítő. Az első üreg résén áthaladó elektron nyalábot rendszerin újra fókuszálni kell, hogy a második üreg szűk résén haladjon át és ne csapódjon az üreg falába. Fókuszálásra elektromos gyűrűt, hengert, vagy mágneses fókuszáló lencséket építenek be. Jól beállított fókuszálásnál csak kis áramok folynak az üregek falán át. A második üreg résén lelassulva jutnak át az elektronok, így kis sebességgel csapódnak be a kollektor „gyűjtő” elektródájába, ami melegedés szempontjából előnyös
HANGOLÓ DUGÓ
MÁGNESES FÓKUSZÁLÁS
HANGOLÓ DUGÓ
12. ábra. Kétüreges klisztron erősítő sematikus rajza. A klisztron üregek itt négyszögletes csőtápvonalból vannak kialakítva egyik oldalon hangoló dugattyúval, a másik oldalon íriszes ki- és becsatoló ablakkal. A kétüreges klisztron erősítővel 3000 – 6000 MHz közötti tartományban elérhető erősítés 13 -18 dB. A nagy jóságú üregek miatt a működési sávszélesség 1 – 8 %. Zajtényezőjük legalább 10 dB-el rosszabb, mint a triódáké, ezért kis jelek erősítésére nem alkalmasak. A kétüreges klisztront megfelelő visszacsatolással ellátva jó oszcillátor készíthető. A klisztronok működtetéséhez nagy 20 – 80 kV-os gyorsító feszültségre van szükség. Ez nagy körültekintést igényel. Nagyteljesítményű klisztronoknál a sugár áram is nagy, akár 10 - 20 A is lehet. Számítással igazolható, hogy a klisztron erősítőnek elméletileg a maximális hatásfoka 58 %. A gyakorlatban működő erősítők hatásfoka 25 – 35 %. Nagyobb erősítés és teljesítmény érdekében használnak három, sőt több üreges klisztron erősítőket. Ilyenkor a második és következő üregekből nem csatolják ki a felerősített jelet, hanem kihasználják azt, hogy a megnövekedett jel nagyobb feszültséget hoz létre a második, esetleg harmadik terheletlen üreg résében, ami az áthaladó elektron nyaláb további sebesség modulációjával egyre nagyobb csomósodást, egyre nagyobb elektron csomagokat hoz létre. Az utolsó üregből aztán kicsatolják a nagyteljesítményű jelet. Az egyes üregek között az elektron sugarat újra és újra fókuszálni kell. Erre, axiális irányú mágneses teret létrehozó állandó mágnesekből, vagy gerjesztett mágnesekből épített mágneses lencséket használnak. Ez nagyméretűvé és nehézzé teszi a konstrukciót, valamint az erős mágneses tér miatt mágneses árnyékolásra is szükség van, ami tovább növeli a méretet és a súlyt. Készítenek elektromos fókuszáló lencsékkel is többüreges erősítőt. Ez jóval rövidebb és könnyebb, mint a mágneses fókuszálású konstrukció, de itt azonban fokozottan ügyelni kell arra, hogy külső mágneses tér ne zavarhassa meg a klisztron működését.
ELEKTRON NYALÁB FÓKUSZÁLÓ ELEKTRÓDA
LENCSE TÁPVEZETÉK
KÖTEGELŐ ÜREG
KIMENŐ ÜREG KOLLEKTOR
KATÓD
FÓKUSZÁLÓ LENCSE
CSATOLÓ ÍRISZ
RF JEL BE
(a)
RF JEL KI
(b) 13. ábra. Elektronikus fókuszálású Litton L-3975 típusú 6 üreges klisztron erősítő. (a) Az erősítő metszete; (b) Az erősítő külső képe. Az erősítő fontosabb adatai: Súlya: 36 kg; Működési frekvencia: 3000 MHz; 3 dB-es sávszélessége: 90 MHz; Erősítése: 36 dB; Átlag teljesítménye: 5 kW; Impulzus csúcs teljesítménye: 1 MW; Működési hatásfoka: 45 %. A kisebb, közepes teljesítményű klisztron erősítőket egyéb nagyteljesítményű adó végfokozatok meghajtó erősítőiként szokták alkalmazni. Nagy erősítése, elegendően nagy sávszélessége erre alkalmassá teszi. Zajossága miatt azonban előerősítésre nem javasolt, ezért többnyire „magnetron típusú” végerősítők meghajtó erősítőjeként használják.
Típusa: VA-87F / VKS-8287 Alkalmazása: felderítő / meteorológiai radar Üregek száma: 6 db Működési tartomány: S sáv, 2,7 – 2,9 GHz Átlagteljesítmény: max. 3 kW Csúcsteljesítmény: max. 2 MW Erősítése: 50 dB Sávszélesség: 30 MHz Hatásfok: 45 % Impulzus időtartam: 7 sec
14. ábra. Egy napjainkban is használatos adó klisztron fényképe. Nem tartozik a nagyteljesítményű alkalmazások körébe, de kis szintű oszcillátorként gyakran használták, főleg keverők helyi oszcillátoraként a reflex kllisztront. A reflex klisztron katódja, „elektron ágyúja” is fókuszált elektron nyalábot bocsát ki, melyet tovább gyorsít egy pozitív feszültségre kapcsolt gyorsító rács. A felgyorsított nyaláb áthalad egy rezonáns üreg kettős rácsa között. A közeledő, majd eltávolodó elektronok influált áramot hoznak létre az üreg falában, amitől az üreg rezgésbe jön és kis szintű elektromos teret állít elő a rácsok között. Ez enyhe sebesség modulációt idéz elő a további elektronok mozgásában. A rácsok után az elektron nyalábbal szemben elhelyeznek egy elektródát, amit negatív feszültségre kötnek. Ezt reflektornak, vagy repeller elektródának hívják. A negatív feszültségű repeller erős fékező teret hoz létre, ami lefékezi, megállítja, sőt visszafordítja az elektronokat a pozitív feszültségű üreg rácsai felé, ahol azok gyorsulnak, a sebesség különbségek miatt csomósodnak és visszafelé is átrepülnek a rácson. A repeller elektróda távolságának és negatív feszültségének állításával elérhető az a szerencsés állapot, hogy a legnagyobb csomósodás éppen a rácsnál legyen. Ha az üregben lévő rezgés a rácsok között éppen fékező teret hoz létre, az elektronok átadják energiájukat a nagyfrekvenciás térnek és ezzel a rezgési folyamat fennmarad. A reflex klisztron oszcillátor üregéből jel csatolható ki.
Ki
15. ábra. Reflex klisztron oszcillátor elvi működési rajza. A reflex klisztron oszcillátorok fontosabb adatai: Gyorsító és anódfeszültség: 200 V – 600 V; Anódáram: 20 mA – 40 mA; Repeller feszültség: -100V és -500 V között; Működési frekvencia: 1 GHz – 100 GHz; Kivehető teljesítmény: 500 mW – 5 mW. (Nagyobb frekvenciákon erősen csökken). Magnetron oszcillátor A magnetron a kereszt-mágneses csövek családjába tartozik, ahol az elektronokat gyorsító elektromos erőtér irányára merőleges homogén mágneses teret is alkalmaznak a csövön belül. Ilyenkor az elektronok, ha csak nem rendelkeznek eleve a mágneses tér irányába mutató sebesség komponenssel is, csak a mágneses mező irányára merőleges síkban mozognak. Legelőször, vizsgáljuk meg az elektronok homogén mágneses térben történő mozgását. Ha egy „B” homogén mágneses tér irányára merőleges síkban „v” sebességgel mozgó „e” töltésű elektront vizsgálunk, a tér által rá ható erő „F”, mindig merőleges a B és v vektorok irányára, vagyis
F e(v B) Newton mozgásegyenlete szerint az „m” tömegű elektronra ható erő az „a” gyorsulással arányos.
F ma m m
dv dt
dv e(v B) dt
vagyis írható, hogy
Megszorozva mindkét oldalt skalárisan „v”-vel, az eredmény 0 lesz, mert a „B” tér által ható erő merőleges a sebességre.
mv
dv e v (v B ) 0 dt
m0 dv 2 0 dt
és, mivel ezért,
v 2 cons tan s
/ v / cons tan s
16. ábra. Elektron mozgása homogén mágneses térben. A sebesség és az erő vektora B-re merőleges síkban van, így a mozgás sík mozgás lesz, melynél a mindenkori hatóerő a sebességre is merőleges, és mint láttuk, a sebesség abszolút értéke /v/ állandó. Ez a mozgás az egyenletes körmozgás. Látható, hogy az elektron a B-re merőleges síkban egyenletes körmozgást végez. Ismert a körmozgás gyorsulása a=v2/r, amit F=ma erő idéz elő. Ezt az erőt azonban a B mágneses erőtér gyakorolja az elektron e töltésére. Ebből a következő eredmények adódnak:
v2 m ev B r
r
mv eB
amiből,
a kör sugara.
Mivel az elektron 2r utat tesz meg v sebességgel egy körülfordulás alatt:
T
2 r 2 m v eB
a körülfordulási idő, ami nem függ a v sebességtől, csak a B indukciótól.
f
1 eB T 2m
a forgás frekvenciája,
2 eB T m
a szögsebesség.
A magnetronnál elektromos tér is van, amely merőleges a homogén mágneses térre. Az elektron mozgására nézve az egyszerűbb leírás kedvéért, vizsgáljuk az elektromos és mágneses tér együttes hatását két végtelennek tekintett katód és anód lemez között. Az anódra kapcsolt pozitív feszültség az anódtól a katód felé irányuló állandó E elektromos teret hoz létre. Így, a mozgó elektronra nem csak a B mágneses tér hat, hanem az elektromos tér anód felé kifejtett gyorsító ereje is. Tekintsük az 17. ábrát a bejelölt koordináta és térerősség irányokkal. A v sebességű elektronra, a rá ható erők ismeretében, fölírhatók a mozgás egyenletek.
17. ábra. Elektron mozgása egymásra merőleges elektromos és mágneses erőtérben. Az elektron mozgását csak a B mágneses erőtérre merőleges síkban vizsgáljuk, így fölírhatók a vx és vy sebesség összetevők. Az x tengely irányába csak a mágneses tér hat, az elektromos tér x irányban nem fejt ki erőt az elektronra. Az y tengely irányába mindkét erőtér hatása érvényesül.
Fy e E e B vx
Fx e B vy F ma m
dv dt
mozgásegyenlet alapján, két differenciálegyenlet írható fel.
m
m
dvx Fx e B v y dt dv y dt
és
Fy e ( E B vx )
A differenciálegyenletek megoldásaként a következő eredményt kapjuk:
x vc t rc sin ct y rc cos ct
vc
E B
rc
ahol:
mE eB 2
c
e B m
Az elektron mozgása úgy szemlélhető, mint egy x irányú vc állandó sebességű haladó mozgás és egy rc sugarú körmozgás együttese. Az elektron a kör kerületének egy rögzített pontján van és vc kerületi sebességgel gurul a „katódon”. A mozgás csúcsos cikloist ír le hasonlóan, mint egy kerékpár kerekén a szelep. Az elektron 2rc magasságig jut el az anód irányába, majd visszakerül a katódra, vagyis anódáram nem folyik. Az E teret létrehozó Ua anódfeszültséggel és a B mágneses tér megválasztásával szabályozni tudjuk, hogy az elektronok elérjék-e az anódot, vagy sem. Vizsgáljuk sík elrendezésnél azt az esetet, amikor az anód tömbben rések vannak és a résekben nagyfrekvenciás erőtér van. Az egymás utáni rések ellentétes fázisban rezegnek. A fém tömbök közepén mindig 0 az erőtér, a rések közepén alakulhat ki a tér pozitív – negatív maximális értéke, mint egy állóhullámnál. Az állóhullám mindenkor, egy előre és egy visszafelé haladó hullám eredőjeként adható meg. A két összetevő külön kezelhető. A ciklois pályán mozgó elektronok csak egyik irányba mozognak, így a két ellentétesen haladó nagyfrekvenciás hullámmal eltérő módon kerülnek kölcsönhatásba. ANÓD
18. ábra. Párhuzamos lemezű, sík magnetron nagyfrekvenciás erőterébe mozgó elektron pályája sematikusan ábrázolva.
A mozgó elektront a mozgásával ellentétes irányú erőtér gyorsítja, míg az azonos irányú erőtér lassítja. Az ábra azt a pillanatot mutatja, amikor a „C” pontban lévő elektron éppen fékező térben halad. Ilyenkor, a nagy egyenfeszültség által felgyorsított elektron lelassul és mozgási energiáját átadja a nagyfrekvenciás térnek. Ez az elektron egy fél periódussal előbb az „A” pontban volt, fél periódus idővel később pedig az „E” pontban lesz. Mindkét helyen fékező térben haladt, ill. fog haladni az elektron. A nagyfrekvenciás tér haladási sebességét a rések távolságával, az elektron mozgási sebességét az E/B térerősség értékekkel tudjuk úgy beállítani, hogy szinkronba kerüljenek. A lelassult elektronok nem jutnak vissza a katód közelébe, mert kisebb sebességük miatt a B tér visszaterelő hatása is kisebb lesz. Ezért kissé visszakanyarodnak, majd az anódfeszültség hatására újra egy ciklois szerű pályán közelednek az anódhoz és egy következő résnél ismét átadják energiájukat a nagyfrekvenciás térnek. Végül lelassulva elérik az anódot. Igazolható, hogy az elektronok nem lépnek számottevő kölcsönhatásba a visszafelé haladó nagyfrekvenciás térrel. Valóságban a magnetronok kialakítása henger alakú. Középen helyezkedik el a nagy emisszióra képes hengeres katód és ezt veszi körül a hengeres anód tömb. Ez, lényegében egy hengerszimmetrikus dióda. A katód – anód közötti hengeres térben, a henger tengelyének irányában homogén mágneses teret hoznak létre. A fűtött katódból kilépő elektronokat az anódfeszültség által létrehozott elektromos tér radiálisan az anód felé kezdi gyorsítani, de a mágneses tér a mozgó elektronokat a sugár iránytól eltéríti. Az elektronok a mágneses tér erősségétől függő epiciklois pályát írnak le és visszakerülnek a katódhoz. Ezt szemlélteti a 19. ábra. +Ua KATÓD
ANÓD
+ +
+ B
+
19. ábra. Hengeres elrendezésnél az elektronok epiciklois pályája. Az elektronok pályájuk során, a radiális irányra merőleges kerületi mozgást is végeznek. Ha az anód tömbben hengeres üregeket alakítanak ki, melyeken keskeny rést vágnak a katód felé. A rések előtt elhaladó elektronok influált áramot hoznak létre az üregekben, mely rezgésbe hozza az üregeket és a résekben nagyfrekvenciás tér lép fel. Az egymás melletti rések ellentétes fázisban rezegnek. Ezt az állapotot mutatja a 19. ábra. Az ellentétes fázis miatt ezt a rezgési állapotot „” módusnak nevezik.
KATÓD
ANÓD
REZGŐ ÜREGEK
20. ábra. „” módusban rezgő magnetron erőtere. Hasonlóan a sík elrendezésnél látottakhoz, a réseknél fékező térrel találkozó elektronok lelassulnak, miközben átadják energiájukat a nagyfrekvenciás térnek, és emiatt nem tudnak visszatérni a katódhoz. A fél periódussal korábban kilépő elektronok gyorsító nagyfrekvenciás térrel találkoznak, sebességük kissé megnő és emiatt a „B” tér visszatéríti őket a katódhoz. Az optimális fékező tér pillanatához képest kissé előbb, ill. kissé később érkező elektronokat a nagyfrekvenciás mező igyekszik az optimális pontba gyűjteni, miáltal a hengeres magnetronban küllőszerű forgó elektronfelhő alakul ki. Jó működésnél, ezek a küllők szinkron forognak a haladó, forgó nagyfrekvenciás térrel, amit az anódfeszültség és a „B” homogén mágneses tér nagyságával tudunk beállítani. Elektron pályák A küllők forgása
21. ábra. A térrel együttforgó elektronnyalábok „küllők” működő magnetronban. Az egymás melletti üregek ellentétes fázisú rezgését, vagyis a „ ” módost úgy alakítják ki, hogy minden második üreget gyűrűkkel összekötnek, ezzel biztosítva az együttrezgésüket. A „” módus, csak páros számú üreggel lehetséges. Egyéb módszerek is vannak a káros módusok megszűntetésére, pl.: váltakozva más formájú, eltérő frekvencián rezgő üregeket képeznek ki, s így csak a legkedvezőbb „” rezgési módus tud kialakulni.
22. ábra. Nyolcüreges magnetron metszete. A nagyfrekvenciás jelet, az ábrán látható módon, az egyik üreg terébe benyúló hurokkal csatolják ki. A magnetron rezgési frekvenciáját az üregek mérete határozza meg. A frekvencia pontos beállításához hangolásra szükség van. Gyakori megoldás, hogy a henger alakú üregekbe csavaros módon állítható fém rudakat helyeznek el. Nagyobb frekvenciákon, 10 GHz fölött, sokszor a magnetront axiálisan lezáró fedelet membránként képezik ki, és ennek enyhe benyomásával elegendő hangolást lehet elérni. Általában a hangolási lehetőség 10 – 15 %. A magnetron munkapontjának helyes beállításához, a várható üzem közbeni paraméterek kiválasztásához a gyártók megadják az un. működési diagramot.
23. ábra. 3 GHz-en működő, impulzus üzemű magnetron működési diagramja. A diagramból leolvasható a beállításhoz szükséges mágneses erőtér értéke, a munkaponti anódfeszültség és anódáram, valamint a várható impulzus teljesítmény és hatásfok.
A magnetronokat leggyakrabban impulzus üzemű rádiólokátorokban használják. Mivel az üzemarány sokszor 1/1000-nél is kisebb, igen nagy impulzus teljesítmények érhetők el alacsony átlagteljesítmény mellett. Ennek köszönhető, hogy kisméretűek ezek a magnetronok, de a több 10 kV-os anódfeszültség miatt az átütés veszélyre fokozottan figyelni kell és a nagy, több10 A-es anódáram létrehozásához, különösen nagy emisszió képességű katódra van szükség. A jól elszigetelt katódra vezetik a nagy negatív tápfeszültséget. Érintésvédelmi szempontból 0 potenciálon az anód tömb kívül helyezkedik el és a megfelelő hűtéshez, nagy hő leadó bordákat építenek rá. A működéshez szükséges mágneses teret többnyire a magnetronnal egybeépített állandó mágnessel oldják meg, vagy külön külső szerelésű gerjesztett mágnessel hozzák létre. Vannak, különösen nagy, 10 MW-nál nagyobb impulzus teljesítményre képes különleges magnetronok is. A rádiólokátorokban a magnetronok impulzus üzemű működését speciális impulzus modulátorokkal oldják meg. Napjainkban számos helyen használják melegítésre, szárításra, csírátlanításra a folytonos üzemű magnetronokat háztartási, vagy ipari kivitelben. Ezek teljesítménye néhány 100 W-tól, 10 kW-ig terjed.
24. ábra. Néhány, az 1950-es évekbeli magnetron fényképe. 1./ 3J21 típus (60 kW; 24000 MHz ), 2./ 24J52 típus (100 kW; 9375 MHz ), 3./ 720 A – E (100 kW; 2800 MHz ), 4./ 4J21 – 30 ( 600 kW; 1280 MHz ). A magnetronok önrezgő oszcillátorként működnek. Működési frekvenciájukat alapvetően az üregek mérete határozza meg és kis mértékben a munkaponti beállítás befolyásolja. Főleg impulzus üzemben használják, ahol impulzusról – impulzusra újra indul a magnetron rezgése. Minden újraindulásnál a rezgés fázisa
véletlenszerű. Távolság méréshez vételkor, a beérkező impulzus késését kell mérni, amihez elegendő egyszerű burkoló demodulációt végezni, aminél a jel véletlen fázisa érdektelen.
Tápegység
Modulátor
Önrezgő magnetron oszcillátor
Antenna felé
25. ábra. Önrezgő oszcillátoros adó működési vázlata. Néhány ma is használatos magnetron fényképe és adatai:
26. ábra. S-sávú magnetron. Típusa: Működési frekvencia: Hangolása: Impulzus teljesítmény: Kitöltési tényező: Impulzus szélesség: Hűtése:
VMS 1143B S-sáv (2,7 – 2,9 GHz) mechanikai 3 MW 0,08 % 2 sec folyadékhűtésű
27. ábra. X-sávú magnetron Típusa: Működési frekvencia: Hangolása: Impulzus teljesítmény: Kitöltési tényező: Impulzus szélesség: Hűtése:
SFD 303B X-sáv (9,275 – 9,325 GHz) fix hangolású 1 MW 0,1 % 3,5 sec folyadékhűtésű
Kereszt-mágneses terű erősítők: A céltárgyak radiális mozgásának érzékeléséhez ill. méréséhez az adó jelhez képest a visszavert jel frekvencia eltérését ill. impulzusról – impulzusra a jel fázis eltérését kell meghatározni. A rövid idejű adóimpulzus után, a hosszú vételi időszakban az összehasonlításhoz szükséges adó jel nem áll rendelkezésünkre. Két lehetőség van a demoduláláshoz szükséges referens jel biztosítására: 1. A véletlenszerűen induló adó oszcillátor jelével, az adóimpulzus ideje alatt minden alkalommal újraszinkronizálunk egy koherens oszcillátort, mely a vételi időszakban mintegy az adó oszcillátor folytatását jelenti. 2. Nem véletlenszerűen felrezgő oszcillátort (magnetront) használunk adásnál, hanem magát az adójelet egy folytonosan rezgő kis szintű oszcillátor jeléből állítjuk elő. Az impulzus modulált kis szintű jelet, több fokozaton keresztül, az adáshoz szükséges nagy teljesítményű jellé föl kell erősíteni. A folytonosan rezgő oszcillátor jele, mint referens jel, mindig rendelkezésünkre áll. A mai lokátorok többségénél az adó jelet erősítővel állítják elő. Az erősítő lánc utolsó fokozatához olyan erősítőre van szükség, mely akár MW nagyságú kimenő teljesítményre képes. Az 1960-as évek folyamán különböző cégek, a magnetron felépítéséhez hasonló, kereszt-mágneses terű erősítő csöveket fejlesztettek ki, hasonló működési elv mellett, különböző márkanevekkel. Többek között pl.:
Dematron Amplitron
Itt az elektronnyaláb az előre haladó hullámmal van kölcsönhatásban. Itt az elektronnyaláb a hátra futó hullámmal van kölcsönhatásban.
Moduláló impulzus
Impulzus modulátor
Erősítő fokozatok
Teljesítmény erősítő
Antenna felé
Oszcillátor
28. ábra. Nagyteljesítményű végerősítővel működő lokátor adó elvi vázlata.
Anód, lassító áramkör
Hengeres katód
Mágneses mező Illesztő áramkör
Bemenet
Illesztő áramkör
Kimenet
29. ábra. Kereszt-mágneses terű erősítő működési vázlata. A bemenetre kapcsolt RF jel az anód testben kialakított rezonáns, sok üregből álló lassító vonalra kerül és az állandó mágneses tér hatására a kör irányába is mozgó elektronokkal kölcsönhatásba lép. A fékező térbe kerülő elektronok az anód egyenáramú gyorsító teréből vett mozgási energiájukat átadják a nagyfrekvenciás térnek és kissé lelassulnak. Ezen sebesség moduláció hatására csomósodások alakulnak ki. A fokozatosan küllőkbe rendeződő elektronnyaláb együtt mozog a lassító vonal mentén körbehaladó nagyfrekvenciás térrel, miközben egyre nagyobb energiát ad át a térnek. A kimeneten a felerősödött nagyfrekvenciás jel kicsatolható. Kicsit konkrétabb képet mutat az alábbi 30. ábra.
Mágneses tér
„Hideg” katód Kölcsönhatási tér
Anód és lassító áramkör
Bemenet
Vezérlő elektróda
„Drift”, sodródási tartomány
Kimenet
30. ábra. Kereszt-mágneses terű erősítő elrendezési rajza. Ezeknél a csöveknél a katódot általában nem fűtik, ezért hideg katódnak nevezik. A nagy anódfeszültség és a bemenetre kapcsolt RF jel hatására elektronok szakadnak ki a hideg katódból. Ezeket a felgyorsított elektronokat a mágneses tér visszatéríti a katódba, amik újabb elektronokat ütnek ki a katódból (szekunder emisszió). Ez addig folytatódik, míg a katód lassan fölmelegszik és a cső működéséhez szükséges állandó elektron emisszió létrejön. Erősítés alatt a csomósodott, küllőkbe rendeződött elektronok a cső végénél, a kicsatolás után is tovább haladnak egy rádiófrekvenciás tértől mentes „drift” tartományban. Mivel itt nincsen csomósodást fenntartó RF tér, az elektronok egymást taszító hatására az elektron csomók szétoszlanak, mielőtt a bemenetnél újra belépnének a kölcsönhatási térbe. Itt a bemenetre kapcsolt RF jel újra indítja a csomósodást a jel erősítéséhez. Ezek a csövek előnyösen használhatók radar végfokozatnak. Méretük kisebb, mint a nagyteljesítményű klisztronoké. Jóval kisebb anódfeszültség mellett működnek és az anódfeszültség stabilitására sem érzékenyek. Sávszélességük 8 – 12 %, egy-egy kijelölt radar sávot szinte átfognak. Működési hatásfokuk 40 – 50 %, jónak mondható. A nagy állandó mágnes miatt súlyuk elég nagy. Környezetüket mágneses szempontból árnyékolni célszerű. Élettartamuk nagy, cseréjük egyszerű. Általában folyadékhűtéssel rendelkeznek. A következő ábrán egy kereszt-mágneses terű cerősítő fényképe látható.
31. ábra. X-sávú kereszt-mágneses terű erősítő fényképe. Típusa: Működési frekvencia: Impulzus teljesítmény: Kitöltési tényező: Impulzus szélesség: Hűtése:
CPI SFD 233G X-sáv (9,0 – 9,5 GHz) 1 MW 0,1 % 0,83 sec folyadékhűtésű
Haladóhullámú csöves erősítő A haladóhullámú cső, HH-cső ( angolul: Travelling Wave Tube TWT) a felgyorsított elektronok és a nagyfrekvenciás elektromos tér tartós kölcsönhatásán alapuló erősítő eszköz. Ismert tény, hogy ha a mozgó elektron fékező elektromos térben halad lelassul, miközben elvesztett mozgási energiáját átadja az elektromos térnek. Hozzunk létre egy csőben haladó nagyfrekvenciás hullámot, melynek tengelyében egy elektron nyaláb halad a térrel azonos irányban és azonos sebességgel. Azok az elektronok, melyek a tér fékező fázisával mozognak együtt energiát veszítenek, lelassulnak. A tér gyorsító fázisával együtt haladó elektronok energiát vesznek föl és kis mértékben növelik sebességüket. Tehát, az elektronokkal együtt haladó elektromágneses hullám sebességben modulálja az elektronokat, s így az eddig homogén elektron nyaláb csomósodni kezd. A gyorsabb elektronok utolérik a lassúbbakat és itt a lassító tér hatására ezek is lelassulnak. Ennek az lesz az eredménye, hogy összességében több elektron halad lassító térben, mint amennyit gyorsítani fog az elektromos tér. Így az elektronok több energiát adnak át a térnek, mint amennyit a kevesebb számú elektron gyorsításához az elektromos térből kivesznek.
Ez azt eredményezi, hogy a cső mentén tovább haladva az elektromos tér nagysága egyre növekszik, mely még intenzívebb csomósodást okoz, tovább növelve az elektromos tér energiáját. Az erősítő elvi működését jól követhetjük a 32. ábra alapján.
Fűtés
Bemenet Katód
Beépített csillapító
II. Anód I. Anód
Helix
Kimenet
Kollektor
Elektronnyaláb
Fókuszáló elektróda
32. ábra. Haladóhullámú cső vázlata. Az 1 – 10 kV feszültséggel fölgyorsított elektronok sebessége 1/10 – 1/20 része a fénysebességnek. Az elektronnyaláb sebessége tehát jóval kisebb, mint az elektromágneses tér fázissebessége. Ahhoz, hogy tartósan együtt tudjanak mozogni az elektromágneses teret le kell lassítani az elektronnyaláb körül. Ezt úgy érhetjük el, hogy az elektromágneses teret egy spirális vonalra vezetjük. Ez a helix. A spirálison fénysebességgel terjedő hullám a helix tengelye mentén a menetemelkedéstől függő mértékben, lassabban halad. Az elektronnyalábot egy szokásos felépítésű elektronágyú hozza létre. Az izzó katódból kilépő elektronokat egy fókuszáló elektróda sűríti és egy, vagy két középen lyukas anód elektróda gyorsítja. A gyorsító feszültség, cső típustól függően, 1 -10 kV közé esik. A helix feszültsége általában megegyezik az utolsó anód feszültségével A kör keresztmetszetű elektronnyaláb belép a helixbe és annak tengelyében végighalad a 20 – 30 cm hosszú spirális lassító vonalon, majd tovább haladva ráfutnak az üreges kollektorra. A kollektor feszültsége általában kisebb, mint a helix feszültsége. Az üreges kialakítás azért jó, mert a kollektorba becsapódó elektronok szekunder emissziót idézhetnek elő, de az üreges kollektorból nem juthatnak vissza a helixre. Ez főleg a kiszajú erősítőknél fontos.
Beépített csillapító
33. ábra. Haladóhullámú csöves erősítő felépítése. A spirális lassító vonalra az erősíteni kívánt nagyfrekvenciás jelet mikrohullámú csatoló eszközzel juttatják a helix elejére. A vonalon végighaladó elektromágneses tér sebessége valamivel lassúbb, mint a felgyorsított elektronok sebessége. A lassító fázisba került elektronok, kicsit lelassulva végig együtt tudnak haladni a továbbra is lassító elektromos térrel, így végig növelhetik a tér energiáját. A helix végén a felerősödött elektromágneses teret, a bemenetihez hasonló mikrohullámú csatolóval, kivezetik. A helix tengelyében haladó elektronnyaláb és a vele kölcsönhatásban lévő nagyfrekvenciás elektromágneses térre fölírható negyedfokú hullámterjedési egyenletre négy megoldás adódik. Ezek az összetevők együttesen alkotják az elektromágneses teret. A négy hullám terjedési tényezői különbözőek. Közülük három az elektronnyalábbal egyező irányba halad, a negyedik pedig vele ellentétesen, visszafelé. Az előre haladó hullámok a becsatolástól azonos amplitúdóval indulnak. Közülük az első exponenciálisan növekvő, a második exponenciálisan csökkenő terjedési tényezővel rendelkezik. Az első hullám alkalmas az erősítésre, mert a cső hossza mentén haladva állandóan növekszik az amplitúdója, míg a második hullám a becsatolás után hamarosan lecsökken. A harmadik hullámösszetevő terjedési tényezője állandó, vagyis a becsatolástól a cső végéig az amplitúdója nem változik. Mivel a belépő jel kicsi és ugyanekkora szinten érkezik a cső végére, a kicsatolásnál az első hullám fölerősített szintjéhez képest elhanyagolhatóan kicsi. A negyedik, visszafelé haladó hullám lényegében a csőben terjedő reflexiós hullám, melynek amplitúdója a helix mentén nem változik, de nagysága attól függ, hogy a kicsatolásnál mekkora a reflexió. Tökéletes illesztésnél nincs reflexió, így a hullám amplitúdója gyakorlatilag nulla volna. Tökéletes illesztést azonban nem lehet készíteni, főleg ha a haladóhullámú csövet széles frekvencia tartományban használjuk. Vagyis számolni kell azzal, hogy a cső végére érkező fölerősített, nagy
szintű jel egy része reflektálódik és állandó amplitúdóval vissza, a cső bemenete felé halad. A bemeneti csatoló sem tökéletesen illesztett, ezért a visszafelé haladó jel ide érkezve újra reflektálódik és előre irányba egyre erősödve indulna el. Ez az erősítő begerjedéséhez vezethet, amit meg kell akadályozni. Beépített csillapítás A haladóhullámú cső hosszának az 1/4 – 1/3-da tájékán úgy alakítják ki a helix vonalat, hogy egy rövid szakaszon nagy csillapítású legyen. A bemenettől a csillapításig létre jön az elektronnyaláb fázis fókuszálása és a jelben számottevő erősítés áll elő. A csillapításos szakaszon áthaladva ugrásszerűen lecsökken a jel szintje, de az elektronnyaláb csomósodása fennmarad, így a csillapítón lecsökkent jel azonnal erősödni kezd egészen a cső végéig. Ez a durván 2/3-nyi hosszúságú csőszakasz elegendően nagy erősítést biztosít a jel számára. Azonban a visszafelé haladó, reflektált jel útjába sikeresen beépítettünk egy csillapítást. A csillapító olyan kis szintűre csökkenti a bemenetre érkező reflektált jelet, hogy az erősítő begerjedése nem alakulhat ki. A klisztonos erősítőkkel összehasonlítva a haladóhullámú erősítők több előnyös tulajdonsággal rendelkeznek. Nagyobb az erősítésük: 30 -50 dB. Megfelelően nagy a hatásfokuk: 25 -30 %. Ez persze, csak a nagyteljesítményű, 100 – 200 W folytonos üzemű erősítőknél fontos. Kicsi a zajszintjük. Ez a vevő előerősítőknél érdekes paraméter. Legnagyobb előnyük a nagy sávszélesség. Rezonáns elemet nem tartalmaznak, így a sávszélességet elsősorban a be- és kicsatoló elemek működési sávszélessége határozza meg. Az elektronnyalábot a hosszú kölcsönhatási térben együtt kell tartani, mert különben a nyaláb elektronjai az egymást taszító Coulomb erők miatt, kiszélesítenék a sugarat és az elektronok egy része a helixen kötne ki. A 10 – 20 cm hosszúságú helix mentén fokuszálásra van szükség. A tengely irányú mágneses tér maga köré csavarja az elektronokat és így nem engedi szétszóródni. A szükséges tengely irányú homogén mágneses tér előállítása csak igen erős állandó mágnessel, vagy gerjesztett mágnessel volt lehetséges, ami nagyon megnövelte az eszköz súlyát. A modern erősítőknél, váltakozva egymással szembefordított pólusú állandó mágnes gyűrűk sorát használják. Ez a periodikus mágneses fókuszálás. A másik megoldás a periodikus elektromos fókuszálás, ahol váltakozva a helix feszültségénél kicsit nagyobb és kicsit kisebb feszültségre kapcsolt vezető gyűrűk sorát alkalmazzák. Mágnes gyűrűk Pólussaruk
34. ábra. Periodikus mágneses fókuszálás.
U2 = U0 + U
Elektronnyaláb U1 = U0 - U
35. ábra. Periodikus elektromos fókuszálás. Az elektromos fókuszálásnál az alacsonyabb potenciálú gyűrűknél az elektronokra a nyaláb belseje felé ható erő lép föl. Egyben kicsit lelassulnak, hosszabb ideig haladnak át a gyűrűn, így a befelé ható erő tovább hat, mint a pozitívabb gyűrűknél a gyorsabb áthaladás alatt. A pozitív gyűrűk ugyan kifelé mozgatják az elektronokat, de itt a gyorsabb mozgás miatt, rövidebb ideig tartózkodnak, így kisebb utat tesznek meg kifelé. A nyaláb enyhén hullámzó módon, de fókuszált marad. Az impulzus üzemű rádiólokátoroknál az üzemaránytól függően, az átlagteljesítménynél jóval nagyobb impulzus csúcsteljesítményt vehetünk ki a HH csöves erősítőkből. Ez néhányszor 10 kW is lehet. Az impulzus modulációra alkalmas csöveknél a katódhoz közel elhelyeznek egy vékony, nagy lyukú rácsot vezérlés céljából. A rácsra kapcsolt vezérlő feszültséggel lezárják az elektron áramot és csak az impulzus idejére engedik az elektronnyaláb kialakulását. Az impulzus szünetekben az elektronok kiszivárgásának teljes megakadályozására, a rács elé, közelebb a katódhoz, egy középen lyukas vékony lemezt építenek be. Ezt árnyékoló rácsnak hívják, és 0 potenciálra kapcsolják. Ilyen csövekkel már 100 kW impulzus csúcsteljesítményt is elértek. A 36. ábrán egy Watkins-Johnson gyártmányú, WJ-317 típusú HH cső képe van, ahol a kiszerelt rácsszerelvény felnagyítva látható. A cső belső periodikus mágneses fókuszálással rendelkezik. A cső két vége közelében láthatók a nagyfrekvenciás jel számára a bemenő és kimenő koaxiális csatlakozók. Ez az erősítő cső 500 W átlagteljesítmény mellett, 15 kW impulzus csúcsteljesítményre képes 3000 MHz-en. Erősítése 36 – 40 dB.
36. ábra. Watkins-Johnson: WJ-317 típusú HH cső fényképe. A nagy hatótávolságú impulzus lokátorok számára kevés a néhányszor 10 kW teljesítmény. A szükséges nagy teljesítményt, több cső kimenő jelének egyesítésével érik el. Erre speciális mikrohullámú eszközöket, hibrid áramköröket, vagy „mágikus T” elemeket használnak. Ezek alkalmasak a jelek egyesítésére és szétosztására is. A központi táplálású antennáknál, több adócső jelét kell egyesíteni egy közös tápvonalra. Az antenna gyakran sokelemű, független sugárzóval is megvalósítható, ezek az antenna rácsok vagy Array antennák. Ilyen esetben, az egyes elemi sugárzókat, vagy néha sugárzó csoportokat, egy-egy külön adócsővel táplálhatjuk. Ilyenkor, a jelek összegeződése a szabad térben jön létre. Készítettek sokelemű Array antennát a sugárzó elemek mögött elhelyezett egyedi haladóhullámú csöves táplálással. Egy ilyen megoldás látható a 37. ábrán. Mágnes rudak
HH cső behelyezés
Pólus lemezek HH csövek helye
37. ábra. HH csövekkel táplált antenna rács.
A HH csöveket közös, homogén mágneses tér fókuszálja, amit sok állandó mágnes rúddal állítanak elő. A rudak mágneses terét a pólus lemezek egyesítik.
A HH cső típusa: VTX-5681C Működési sáv: X Működési frekvencia: 10 GHz Sávszélesség: 1 GHz Csúcsteljesítmény: 100 kW Erősítés: 50 dB Max. üzemarány: 35 %
A HH cső típusa: VTS-5753 Működési sáv: S Működési frekvencia: 3,3 GHz Sávszélesség: 400 MHz Csúcsteljesítmény: 160 kW Erősítés: 43 dB Max. üzemarány: 8 %
38. ábra. Két ma is használatos HH cső fényképe és adatai.
Félvezetős erősítő Az 1960 –70 –es években, a félvezetők rohamos fejlesztésének eredményeképpen az alacsonyabb, néhányszor 10 MHz alatti frekvencia tartományban, szinte teljesen kiszorultak az alkalmazásból az elektroncsövek. Radar adóknál, a nagyteljesítményű csövekről klisztron, haladóhullámú cső, kereszt-mágnes terű csövek, magnetron) a félvezetős erősítőkre való áttérés fokozatosan történt, sőt még napjainkban is tart, mivel az egyedi félvezetőkkel elérhető kimenő teljesítmény jóval kisebb az előző csövekénél. Azonban, sok előnyös tulajdonsága van a félvezetős erősítőknek: 1. A félvezetőkben nincs fűtött katód, ezért nincs felfűtési idő, azonnal működőképes és nincs fűtési veszteség sem. 2. A „tragikus” eseményeket leszámítva, látszólag a működési élettartama korlátlan. 3. A félvezetőknél a szükséges tápfeszültség néhányszor 10 V, szemben a mikrohullámú csövek néhányszor 10 kV-os tápfeszültségével. Így nem kell nagyfeszültségű védőtávolságot tartani, kisebb a méretük és a súlyuk. Mind az erősítő eszköz, mind a tápegység megbízhatósága jóval nagyobb lesz. Az elemek meghibásodásának átlagos időtartama meghaladja a 100.000 órát. 4. Félvezetőknél elhagyható a nagyteljesítményű modulátor, mert a tranzisztorok nagyfrekvencián általában C-osztályú beállításban működnek, így könnyen kiés bekapcsolhatók. 5. A radaradó nagy teljesítményét sok félvezetős adó egység (modul) jelének egyesítésével hozzák létre. Amennyiben egy-egy modul meghibásodik, teljesítménye kiesik, az egész rendszer végső teljesítményében ez alig vehető észre, így nem jelent katasztrofális meghibásodást. Ha r a hibátlanul működő és a teljes erősítő modulok számának az aránya, akkor a rendszer együttes teljesítményében a csökkenés 20 log r alapján számolható. 6. A félvezetős erősítők nagy sávszélességgel működnek. Elérhetik az 50 %-os, vagy annál nagyobb sávszélességet is, míg a nagyteljesítményű mikrohullámú csöves erősítők általában csak 10 – 20 %-os sávszélességre képesek. 7. Félvezetőkkel sok azonos aktív adó-vevő (transceiver: T/R) modul készíthető, melyeket egyenként egy sokelemes antenna rács (array antenna) minden egyes sugárzó eleméhez kapcsolhatunk. A jel szétosztást az egyes erősítők bemenetén, kis szinten végezhetjük, valamint kis szintű fázistolókat használhatunk az antenna rács nyaláb formálásához, vagy nyaláb mozgatásához. Ha egy nagyteljesítményű adó jelét kell szétosztani az antenna rács elemei között, komoly veszteséget okoznak a fázistolók és az elosztó hálózat. Ezen kívül ezeket az elemeket mind nagyteljesítményű kivitelben kell készíteni, ami nagyméretű, súlyos és drága megoldás. A radar adóknál, a nagyteljesítményű mikrohullámú csövek használatáról a félvezetős megoldásra való áttérés eleinte igen lassan zajlott. Az adók, a szokásos impulzus üzemben igen alacsony, átlagosan 0,1 %-os kitöltési tényezővel, nagyon rövid impulzus idő mellett, ritkán, nagy csúcsteljesítménnyel működtek. Egy szokásos magnetron 500 W átlagteljesítmény mellett 500 kW csúcsteljesítményt könnyedén képes szolgáltatni. Eleinte, ezeket a működési követelményeket próbálták megoldani félvezetőkkel a radar adóknál, mintegy helyettesítve a nagyteljesítményű adó csövet.
A nagyteljesítményű mikrohullámú tranzisztoros végfokozatok kb. 50 W átlagteljesítményre képesek, 100 – 200 W csúcsteljesítmény mellett. Az átlagteljesítményhez képest viszonylag igen alacsony csúcsteljesítménnyel működtethetők a tranzisztorok, mert a teljesítmény koncentráció a kisméretű félvezető rétegben alakul ki, ahol kicsi a hőkapacitás és nagyon rövid a termikus időállandó (inkább msec, mint sec). Emiatt, nagyobb csúcs/átlag teljesítmény viszony mellett működtetve a félvezető réteg megolvad, a tranzisztor tönkremegy. A 100 200 W csúcsteljesítményre képes félvezető fokozatokból 2500 – 5000 db jelének az egyesítésére volna szükség, hogy elérjük az 500 kW adó csúcsteljesítményt. Ez bonyolult és nagyon drága megoldás volna, ezért késlekedett a félvezetős radaradók megjelenése.
39. ábra. Nagyfrekvenciás, nagyteljesítményű tranzisztorok fényképe.
Az egyedileg tokozott diszkrét aktív félvezető eszközök (tranzisztor, FET, stb.) alkalmazásához, hogy abból teljesítményerősítő, vagy kiszajú erősítő legyen, megfelelő áramköri környezetbe kell építeni. A működéshez szükséges passzív elemeket és egyéb alkatrészeket jól méretezett vonalakkal kell összekötni és csatlakozókhoz vezetni. Ez bonyolulttá és drágává teszi az összetett építő elemek gyártását. A félvezető technika továbbfejlődésével lehetőség nyílt magasan integrált nagyfrekvenciás eszközök készítésére. Mikrohullámú monolit integrált áramkörök (Microwave Monolithic Integrated Cicuits : MMIC) Általában GaAs (Gallium Arsenid) félvezető hordozón nem csak az aktív elemeket alakítják ki hasonlóan, mint az egyedi tranzisztoroknál, hanem pl. az erősítő működéshez szükséges hálózatot is passzív elemekkel, sőt egyéb feladatot ellátó eszközökkel együtt. Számos aktív és passzív elem realizálható ugyanazon a hordozón: Nagyszintű erősítő, lineáris erősítő, kiszajú erősítő, dióda, vezérelhatő kapcsoló, fázistoló, ellenállás, kapacitás, induktivitás, összekötő vonalak, árnyékoló felületek, hidegítő földelési pontok stb. Egy kisméretű félvezető lapkára (chip) igen bonyolult, összetett feladatot ellátó áramköri egységet lehet integrálni. Ennek számos előnye van: 1. Olcsóvá teszi az áramkört, 2. Javul a működési megbízhatóság, 3. Könnyen reprodukálható, sorozatban gyártható, 4. Kisméretű, könnyebb, mint a diszkrét elemekből épített eszköz. Az ilyen chipek megtervezése, kifejlesztése és a gyártás kialakítása hosszú és drága folyamat, de a nagyszámú sorozatgyártás olcsóvá teheti az eszközt. Fontos, hogy több célra, sokoldalúan használható építő elem legyen. Felhasználása gyakran úgy is kifizetődő, ha a chipnek csak bizonyos részműködését használjuk fel. Az X. ábrán egy S-sávú teljesítményerősítő párt és T/R kapcsolót tartalmazó lapka fotója látható. A kb. 5x6 mm nagyságú chipből igény szerint több darab is legyártható egyetlen nagyobb közös hordozó lapkán.
5 mm
6 mm
40. ábra. S-sávú, 12 W-os GaAs teljesítményerősítő pár MMIC chipen
A radar rendszerek fejlesztésével lehetőség nyílt hosszú adóimpulzus, jóval nagyobb üzemarány, kitöltési tényező alkalmazására. Ha a korábbi példával azonos 500 W radar átlagteljesítmény mellett, 5 %-os üzemarányt engedünk meg, akkor adáskor 10 kW-os impulzus csúcsteljesítmény szükséges. Ez már 50 – 100 db tranzisztoros nagyteljesítményű végerősítővel megvalósítható.
1
MOSFET meghajtó erősítő
1:N
N:1 N
N MOSFET végerősítő
1:2 Osztó
Rack 1
Szétosztó
Egyesítő
Egyesítő
Rack 2
41. ábra. Sok végerősítő jelének egyesítése egy központi antennára. Antennatáplálási megoldások: 1. Egy központi antenna pl.: forgásparaboloid, dipól függöny, réssugárzó sor.
T = Transmitter = adó R = Receiver = vevő T/R Switch
T/R Switch = adás / vétel kapcsoló A központi antennát általában egy nagyszintű adóeszköz táplálja. Az antenna számára az adás/vétel kapcsoló választ az adó kimenete, ill. a vevő bemenete között. A tér letapogatása az antenna mechanikus mozgatásával történik. Gyors nyalábmozgatásra nincs lehetőség. Évtizedek óta elterjedt, klasszikus működési mód. Az adó és antenna együtt olcsó megoldásnak tekinthető.
2. Passzív Array Radar Array antenna = antenna rács Nagyszintű fázistolók Nagyszintű elosztó hálózat T = Transmitter = adó T/R Switch
R = Receiver = vevő T/R Switch = adás / vétel kapcsoló
Az antenna rendszert általában egy nagyszintű adóeszköz táplálja. Az adó és vevő között az adás/vétel kapcsoló választ. A nagyteljesítményű adójelet és az igen kisszintű vevő jelet is kis csillapítással kell átengednie. A sokelemű antenna egyedi sugárzóihoz nagyszintű elosztó hálózaton keresztül jut el a jel. Gyors elektronikus antennanyaláb formálásra és nyalábmozgatásra van lehetőség, az egyedi sugárzók nagyszintű fázistolóinak vezérlésével. A nagyszintű fázistolók és elosztó hálózat miatt közepesen drága megoldás. 3. Aktív Array Radar Array antenna = antenna rács Félvezetős T/R modulok Kisszintű fázistolók Kisszintű elosztó hálózat T = Transmitter = kisszintű adó T/R Switch
R = Receiver = vevő T/R Switch = kisszintű adás/vétel kapcsoló
A modulált kisszintű adójel, kisszintű elosztó hálózaton keresztül jut el az egyedi antenna elemek kisszintű fázistolóira és a T/R modulok erősítőire. A T/R modulok feladata az egyes sugárzók táplálásához szükséges adójel fölerősítése, vételi irányban pedig a kiszajú előerősítés. A központi adás/vétel kapcsoló feladata, hogy az adás ideje alatt az adó jelet az elosztó hálózatra kapcsolja, vételi időben pedig az összegyűjtött vett jelet a vevő bemenetére, további erősítés után a jelfeldolgozó egységre juttassa. A T/R modulokat közvetlenül összeépítik az antenna rács elemi antennáival. A szükséges sok T/R modul növeli az árat, de elmaradnak a drága nagyszintű fázistolók és elosztó hálózati elemek. A rendszer gyors, elektronikus nyalábformálásra és mozgatásra képes.
A hosszú adóimpulzus alatt, a közeli célok földerítése nem lehetséges. A hosszú adóimpulzus nagyon lerontaná radar fölbontó képességét is és az erős környezeti zavar reflexiók (clutter) elfednék a kisméretű mozgó célokat. A ma általánosan használt impulzus kompresszióval és egyéb jelfeldolgozási eljárásokkal elérhető a megfelelően jó távolság felbontás és a nagy zavarelnyomás. Az adóteljesítmény biztosításához szükséges sok adómodul jelét összeadó hálózaton (combiner) egyesíthetjük egy közös antennához, vagy antenna rácsot (array) használva, az egyes adómodulok önállóan egy antenna elemet táplálhatnak. Ezek a megoldások jól illeszkednek a félvezetős adó megoldáshoz.
High Power Amplifier = Driver Amplifier = T / R Module Antenna = T / R Switch = Receiver Protector/Limiter = LNA = Phase Shifter = Driver = RF In = RF Out =
Nagyteljesítményű erősítő Meghajtó erősítő Adás/vételi egységhez kapcsolt sugárzóelem Adás/vétel kapcsoló ( vevő védő, kisszintű) Vevővédő áramkör / limiter Kiszajú erősítő Vezérelhető fáziszoló Fázistolót vezérlő egység Rádiófrekvenciás bemenet Rádiófrekvenciás kimenet
42. ábra. Sorba és párhuzamosan kapcsolt erősítő elemek egy T/R adó/vevő modulban. Az adó ági erősítő felépítése tipikus. Két sorba kapcsolt meghajtó erősítőből, majd két ágon, áganként egy soros közbenső erősítő párhuzamosan kapcsolt nagyteljesítményű fokozatokat táplál és végül a két ág kimenetét összeadják. Egy ilyen összetett erősítő rendszer MMIC chipen integrálható. Ilyen integrált tokozott erősítő elemek építhetők be egy T/R modulba. A T/R modul más feladatokat ellátó további, magasan integrált chipet, ill. alkatrészt tartalmazhat. Ilyenek pl. az adás/vétel kapcsoló (T/R Swich), kiszajú vevő erősítő (LNA), a vevő erősítőt védő áramkör (Protector/Limiter). Nem mindig, de néha beleépítik a vezérelt fázistolót (Phase Shifter) és a vezérlő áramkört (Driver).
S-sávban (2,7 – 2,9 GHz) működő, meteorológiai és légi irányításra használt, több funkciós Phased Array Radar T/R moduljainak és antennájának fényképei. Az Array antenna több 64 elemet tartalmazó szegmensből áll. A T/R modulok egyformák és magasan integrált felületszerelt MMIC áramkörökből épült föl.
Szűrők Adás/vétel kapcsolók
Kimenő teljesítmény 8 W Üzemarány 10 %
Egyedi tranzisztorok
Nagyszintű erősítő
Nagyszintű erősítő
Vevő Vezérlő egység Adó jel egyesítő
43. a.) ábra. Az antennát meghajtó egyik T/R modul fényképe. Ezeket a T/R modulokat közvetlenül egy 64 elemű Array-antenna sugárzó elemei mögé szerelik. Az antennaelemek felé külön elosztóhálózat nem szükséges.
A kinagyított T/R modul helye
43. b.) ábra. Az Array antenna hátoldala, ahová a T/R modulokat szerelik.
43. c.) ábra. Az Array antenna egyik szegmensének előlapja a 64 „folt-sugárzó” elemmel. Minden T/R modulban van szűrő, erősítő, szintszabályzó és fázistoló.
HPA LNA LO A/D I/Q Filter
= teljesítményerősítő = kiszajú erősítő = helyi oszcillátor = analóg/digitál átalakító = fázisdemodulátor 00, 900 = szűrő
Waveform Generator Timing, Cotrol Beamformer Processor Amp. Control Receiver
= Adó moduláló jel gen. = Indító és vezérlő ák. = Nyaláb formáló = Inteligens jelfeldolgozó = elemenkénti szintszab. = RF vevő
44. ábra. Egy Phased Array antennás modern radar egyszerűsített bloksémája.
Összehasonlítás: Vákuum csöves és félvezetős erősítők összehasonlítása
Alapvetően a csöves erősítők területe
Átlagteljesítmény (Watt)
Mindkettő alkalmazható verseny helyzet
Alapvetően a félvezetős erősítők területe
Frekvencia (GHz)
Kimenő teljesítmény Darab ára
Vákuumcsöves erősítők
Félvezetős erősítők
Nagy (10 kW – 1 MW)
Kicsi (10 W – 100 W)
Nagy ( 10 k$ - 300 k$)
Kicsi ( 100 $)
1 Watt ára
1$-3$
Nagyon változó
Méret
Terjedelmes és nehéz
Kicsi és könnyű
Alkalmazás
Egy központi antenna vagy Psszív Array
Aktív Array és Digitális Array
Felhasznált irodalom: M.I.T. Radar School Staff: Principles of Radar. Second Edition McGraw-Hill Book Company New York, 1946. Dr. Istvánffy Edvin: Mikrohullámok technikája és rádiólokátorok; Egy. tankönyv, harmadik kiadás; Tankönyvkiadó, Budapest 1958. Merrill I. Skolnik, /editor/: Radar Handbook; McGraw-Hill Book Company; C:1970. Tamási F. – Tímár J. : Rádiólokátor- Technika; Műszaki könyvkiadó, Bp., 1970. Dr. Almássy György, /főszerkesztő/: Mikrohullámú Kézikönyv; Műszaki könyvkiadó, 1973. Simonyi Károly: Elektronfizika; ötödik kiadás. Tankönyvkiadó, Budapest, 1987. Dr. Tamási Ferenc: Rádiólokátor-Technika; Zrínyi Katonai kiadó, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1986.
Ajánlott irodalom: George Millar: The Bruneval Raid, Flashpoint of the Radar War. The Bodley Head London, 1974. A nagy lokátor háború Fordította: Elek István; Kossuth könyvkiadó, 1983.
