لامپ‌های مایکروویو

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو


اولین منبع عملی واقعی مایکرویو لامپ مگنترون بود که در دهه ۱۹۳۰ در انگلیس ساخته شد و سپس از آن در ساخت و توسعه سیستم رادار در خلال جنگ جهانی دوم استفاده شد. در سال‌های اخیر قطعات نیمه هادی به طور فزآینده‌ای جایگاهمایکرویو را پر نموده و مزایای متعدد هم دارند. اما هنوز هم لامپ‌ها برای تولید توان‌های بسیار بالا (۱۰ کیلووات تا ۱۰ مگاوات) و فرکانس‌های بالاتر امواج میلی متری (۱۰۰ گیگا هرتز و بالاتر)لازم و ضروری می‌باشند.
انواع بسیار متعددی از شکل لامپ‌ها در کنار مفاهیم مختلفی که بر اساس آن عملکرد لامپ بنا گذاشته شده‌است وجود دارند. اما تمامی لامپ‌ها جنبه‌های مشترک متعددی دارند. اول آنکه در تمامی لامپ‌ها بر هم کنش ک اشعه با یک میدان مغناطیسی در داخل روکش خلا شیشه‌ای یا فلزی را داریم. بنابراین می‌بایست به طریقی انرِِِزی RF در خارج این روکش به آن تزویج نماییم این کار را معمولاً با پنجره‌های سطحی یا حلقه‌ها و پروب‌های تزویجی هم محور انجام می‌دهیم. [ http://www.engiran.com/?action=post&do=catmain&id=1 کلایسترون] انعکاسی یک لامپ کلایسترون تک حفره‌است که به عنوان یک تشدید کننده با استفاده از یک الکترود انعکاس دهنده پس از حفره جهت ایجاد فیدبک مثبت از طیق اشعه الکترونی عمل می‌نماید، این کلایسترون را می‌توان به صورت مکانیکی و با تنظیم اندازه حفره به صورت دلخواه تنظیم نمود. عیب بزرگ کلایسترون‌ها پهنای باند نازک آن‌ها می‌باشد که نتیجه حفره‌ها با Q بالا مورد نیاز جهت خوشه بندی الکترون می‌باشد. کلایسترونها برای سطوح نویز AMو FM بسیار پایین می‌باشند.
پهنای باند کم تقویت کننده کلایسترون در لامپ با موج حرکتی (TWT) بر طرف گردیده‌است. یک تقویت کننده با اشعه خطی است که از یک تفنگ الکترونی و یک آهنربای متمرکز کننده جهت شتاب بخشیدن به اشعه الکترون‌ها در خلال یک ناحیه بر هم کنش استفاده می‌کند. معمولا ناحیه بر هم کنش از یک ساختار هیلیکس با موج آهسته با یک ورودی RF درانتهای تفنگ الکترونی و یک خروجی RF در انتهای کلکتور تشکیل می‌شود. ساختار هیلیکس سرعت انتشار موج RF را کاهش داده بنابر این، این موج با همان سرعتی حرکت می‌کند که موج و اشعه در ناحیه بر هم کنش حرکت می‌نمایند و اثر تقویت کنندگی بدست می‌آید. سپس سیگنال تقویت شده از انتهای هیلیکس تزویج می‌گردد.TWT بالاترین پهنای باند را در میان لامپ‌های تقویت کننده دارد که مقدار آن ار ۳۰٪ تا ۱۲۰٪ متغیر است. در نتیجه این لامپ جهت استفاده در سیستم‌های جنگ الکترونیک بسیار مفید است چرا که در این سیستم‌ها نیاز به تئانی بالا در پهنای باند هی وسیع داریم. ابن لامپ‌ها دارای توان نامب چند صد وات(به طور اسمی)است اما می‌توان این مقدار را تا چند کیلو وات نیز افزایش داد که این کار توسط ایجاد یک ناحیه بر هم کنش با استفاده از مجموعهای از حفره‌های تزویج شده انجام می‌شود البته در عوض پهنای باند کاهش خواهد یافت. راندمان TWT تقریبا پایین استو به طور اسمی بین ۲۰٪ و ۴۰٪ می‌باشد.
نوع دیگری از لامپ نوسان ساز اشعه خطی، نوسان ساز با برهم کنش توسعه یافته (EIO)است.EIOخیلی مشابه یک کلایسترون است واز ناحیه بر هم کنش شامل تعدادی حفره تزویج شده با یکدیگر با فیدبک مثبت جهت انجام نویان استفاده می‌نماید. این لامپ دارای یک پهنای باند تنظیم شده نازک و یک راندمان متوسط است اما می‌توان توان‌های بالا نزدیک چند صد گیگا هرتز را تامین نماید. فقط ژیراتون است که می‌تواند توان بیشتری را تحویل نماید. لامپ‌هایی با میدان متقاطع شامل مگنترون، تقویت کننده با میدان متقاطع وژیراتون است. همان طور که از قبل فهمیدیم مگنتروناولین منبع مایکرویو توان بالا است. مگنترون از یک کاتد استوانه‌ای تشکیل گردیده‌است که توسط یک آند استوانه‌ای با چندین حفره تشدید کننده در طول قطر داخلی آن احاطه گردیده‌است. یک میدان مغناطیسی بایاس به صورت موازی با محور کاتد-آند اعمال می‌گردد. در عمل ابری از الکترون‌ها تشکیل گردیده که حول کاتد در ناحیه بر هم کنش می‌چرخد. مشابه با قطعات اشعه خطی، خوشه بندی الکترون رخ داده و انرژی از اشعه الکترونی به موج RF منتقل می‌شود. توان RF می‌تواند خارج از لامپ با یک پروب، حلقه یا پنجره روزنه دار تزویج گردد.
مگنترون‌ها می‌توانند توان‌های خروجی بسیار بالا-در حد چند صد کیلو وات را فراهم نمایند. همچنین مگنترون دارای راندمانی در حدود ۸۰٪ یا بیشتر می‌باشد. اما یک عیب بزرگ آن این است کهمگنترون نویز زیادی را تولید می‌کند و نمی‌تواند فرکانس یا ارتباط فاز را تثبیت نماید در حالی که در حالت پالسی عمل می‌نماید. این فاکتورها جهت عملکرد بالای رادارها ی پالسی بسیار مهم هستند که درآن‌ها تکنیک‌های پردازش یر روی مجموعهای از پالس‌ها ی بازگشتی عمل می‌نمایند.(رادارهای مدرن از این نوع امروزه عموما از منابع نیمه هادی با نویز کم به همراه یک TWT جهت تقویت کنندگی توان استفاده می‌نمایند)حال کاربرد مگنترون‌ها عموما جهت پخت و پز با مایکرویو می‌باشد. یکی از نرم افزارهای مناسب برای تحلیل لامپ های مایکروویو، نرم افزار CST می باشد. محیط استودیوی ذرات در این نرم افزار امکاناتی برای شبیه سازی بیم الکترونی و تاثیر متقابل آن بر روی ساختار های مایکروویو دارد. امّا با این حال یکی از مشکلات کار با نرم افزارهای تمام موج مانند CST نیاز به منابع محاسباتی بزرگ مانند شبکه ای از ابررایانه ها است. حتی علی رغم استفاده از ابررایانه ها باز هم زمان شبیه سازی یک ساختار بسیار طولانی است و به همین دلیل اکثر طراحان به سمت استفاده از کدهای خاص بعدی می روند. تعداد محدودی از کشورها سازنده لامپ های مایکروویو هستند و صنعت لامپ های مایکروویو در ایران نیز قبل از انقلاب پایه ریزی شده بود امّا علی رغم افزایش روز افزون مقالات و اختراعات در زمینه لامپ های مایکروویو و اهمیت یافتن آنها در سالهای اخیر، در ایران پیشرفت قابل ملاحظه ای در این خصوص دیده نمی شود که از دلایل آن می تواند ارتباط محدود صنعت و دانشگاه و عدم معرفی این موضوع به جامعه دانشگاهی باشد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

microwave engineering , David Pozar

رضا محمودی،"لامپ های مایکروویو،کلایسترون، TWT و مگنترون، تحلیل و شبیه سازی با نرم افزار CST" ، دانشگاه شهید باهنر کرمان