Oscilador de onda inversa

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Un oscilador de ondas hacia atrás ( BWO ), también llamado carcinotrón o tubo de ondas hacia atrás , es un tubo de vacío que se utiliza para generar microondas hasta el rango de los terahercios . Perteneciente a la familia de los tubos de ondas viajeras , es un oscilador con un amplio rango de sintonización electrónica.

Un cañón de electrones genera un haz de electrones que interactúa con una estructura de ondas lentas. Mantiene las oscilaciones propagando una onda que viaja hacia atrás contra el haz. La potencia de onda electromagnética generada tiene su velocidad de grupo dirigida en sentido opuesto a la dirección de movimiento de los electrones. La potencia de salida se acopla cerca del cañón de electrones.

Tiene dos subtipos principales, el tipo M ( M-BWO ), el más potente, y el tipo O ( O-BWO ). La potencia de salida del tipo O suele estar en el rango de 1 mW a 1000 GHz a 50 mW a 200 GHz . Los carcinotrones se utilizan como fuentes de microondas potentes y estables. Debido a la buena calidad del frente de onda que producen (ver más abajo), se utilizan como iluminadores en imágenes de terahercios .

Los osciladores de onda regresiva fueron demostrados en 1951, el tipo M por Bernard Epsztein ^[1] y el tipo O por Rudolf Kompfner . El BWO de tipo M es una extrapolación no resonante controlada por voltaje de la interacción del magnetrón . Ambos tipos son sintonizables en un amplio rango de frecuencias variando el voltaje de aceleración . Pueden barrer a través de la banda lo suficientemente rápido como para parecer que irradian sobre toda la banda a la vez, lo que los hace adecuados para una interferencia de radar efectiva , sintonizándose rápidamente en la frecuencia del radar. Los carcinotrones permitieron que los bloqueadores de radar aerotransportados fueran altamente efectivos. Sin embargo, los radares ágiles en frecuencia pueden saltar frecuencias lo suficientemente rápido como para obligar al bloqueador a usar interferencia de barrera , diluyendo su potencia de salida en una banda ancha y perjudicando significativamente su eficiencia.

Los carcinotrones se utilizan en aplicaciones civiles, militares y de investigación. Por ejemplo, los sistemas de detección de defensa aérea con sensor pasivo Kopac y Ramona de Checoslovaquia utilizaron carcinotrones en sus sistemas receptores.

Todos los tubos de ondas viajeras funcionan de la misma manera general y difieren principalmente en los detalles de su construcción. El concepto depende de un flujo constante de electrones desde un cañón de electrones que viajan por el centro del tubo (ver diagrama de concepto adyacente ). Alrededor del haz de electrones hay algún tipo de señal de fuente de radiofrecuencia ; en el caso del klistrón tradicional , se trata de una cavidad resonante alimentada con una señal externa, mientras que en los dispositivos más modernos hay una serie de estas cavidades o un cable de metal helicoidal alimentado con la misma señal. ^[2]

A medida que los electrones viajan por el tubo, interactúan con la señal de RF. Los electrones son atraídos a las áreas con polarización positiva máxima y repelidos de las áreas negativas. Esto hace que los electrones se agrupen a medida que son repelidos o atraídos a lo largo de la longitud del tubo, un proceso conocido como modulación de velocidad . Este proceso hace que el haz de electrones adopte la misma estructura general que la señal original; la densidad de los electrones en el haz coincide con la amplitud relativa de la señal de RF en el sistema de inducción. La corriente de electrones es una función de los detalles del cañón y, por lo general, es órdenes de magnitud más potente que la señal de RF de entrada. El resultado es una señal en el haz de electrones que es una versión amplificada de la señal de RF original. ^[2]

A medida que los electrones se mueven, inducen un campo magnético en cualquier conductor cercano. Esto permite extraer la señal ahora amplificada. En sistemas como el magnetrón o el klistrón, esto se logra con otra cavidad resonante. En los diseños helicoidales, este proceso ocurre a lo largo de toda la longitud del tubo, reforzando la señal original en el conductor helicoidal. El "problema" con los diseños tradicionales es que tienen anchos de banda relativamente estrechos; los diseños basados ​​en resonadores funcionarán con señales dentro del 10% o 20% de su diseño, ya que esto está físicamente integrado en el diseño del resonador, mientras que los diseños helicoidales tienen un ancho de banda mucho más amplio , quizás el 100% a cada lado del pico de diseño. ^[3]

El BWO está construido de manera similar al TWT helicoidal. Sin embargo, en lugar de que la señal de RF se propague en la misma dirección (o similar) que el haz de electrones, la señal original viaja en ángulos rectos con respecto al haz. Esto normalmente se logra perforando un orificio a través de una guía de ondas rectangular y disparando el haz a través del orificio. Luego, la guía de ondas pasa por dos giros en ángulo recto, formando una C y cruzando el haz nuevamente. Este patrón básico se repite a lo largo de la longitud del tubo, de modo que la guía de ondas pasa a través del haz varias veces, formando una serie de formas de S. ^[2]

La señal de RF original entra por lo que sería el extremo más alejado del TWT, de donde se extraería la energía. El efecto de la señal en el haz que pasa provoca el mismo efecto de modulación de velocidad, pero debido a la dirección de la señal de RF y las características específicas de la guía de ondas, esta modulación viaja hacia atrás a lo largo del haz, en lugar de hacia adelante. Esta propagación, la onda lenta , llega al siguiente orificio en la guía de ondas plegada al igual que lo hace la misma fase de la señal de RF. Esto provoca una amplificación igual que el TWT tradicional. ^[2]

En un TWT tradicional, la velocidad de propagación de la señal en el sistema de inducción tiene que ser similar a la de los electrones en el haz. Esto es necesario para que la fase de la señal se alinee con los electrones agrupados a medida que pasan por los inductores. Esto impone límites a la selección de longitudes de onda que el dispositivo puede amplificar, en función de la construcción física de los cables o las cámaras resonantes. ^[2]

Este no es el caso del BWO, donde los electrones pasan la señal en ángulos rectos y su velocidad de propagación es independiente de la de la señal de entrada. La compleja guía de ondas serpentina impone límites estrictos al ancho de banda de la señal de entrada, de modo que se forma una onda estacionaria dentro de la guía. Pero la velocidad de los electrones está limitada únicamente por los voltajes admisibles aplicados al cañón de electrones, que se pueden cambiar fácil y rápidamente. Por lo tanto, el BWO toma una única frecuencia de entrada y produce una amplia gama de frecuencias de salida. ^[2]

El dispositivo recibió originalmente el nombre de "carcinotrón", a partir del nombre griego de los cangrejos de río , que nadan hacia atrás. ^[4] Simplemente cambiando el voltaje de suministro, el dispositivo podía producir cualquier frecuencia requerida a través de una banda que era mucho más grande que la que cualquier amplificador de microondas existente podía igualar: el magnetrón de cavidad trabajaba a una sola frecuencia definida por las dimensiones físicas de sus resonadores, y mientras que el klistrón amplificaba una señal externa, solo lo hacía de manera eficiente dentro de un pequeño rango de frecuencias. ^[2]

Anteriormente, bloquear un radar era una operación compleja y que consumía mucho tiempo. Los operadores tenían que escuchar las frecuencias potenciales que se estaban utilizando, configurar uno de un banco de amplificadores en esa frecuencia y luego comenzar a transmitir. Cuando la estación de radar se daba cuenta de lo que estaba sucediendo, cambiaba sus frecuencias y el proceso comenzaba de nuevo. En cambio, el carcinotrón podía recorrer todas las frecuencias posibles tan rápidamente que parecía ser una señal constante en todas las frecuencias a la vez. Los diseños típicos podían generar cientos o miles de vatios, por lo que en cualquier frecuencia, podría haber unos pocos vatios de potencia que son recibidos por la estación de radar. Sin embargo, a larga distancia, la cantidad de energía de la transmisión del radar original que llega a la aeronave es de solo unos pocos vatios como máximo, por lo que el carcinotrón puede superarlos. ^[2]

El sistema era tan potente que se descubrió que un carcinotrón que funcionara en un avión comenzaría a ser efectivo incluso antes de que se elevara por encima del horizonte del radar . A medida que recorría las frecuencias, emitiría en la frecuencia operativa del radar en lo que eran efectivamente tiempos aleatorios, llenando la pantalla con puntos aleatorios cada vez que la antena apuntara cerca de él, quizás 3 grados a cada lado del objetivo. Había tantos puntos que la pantalla simplemente se llenaba de ruido blanco en esa área. A medida que se acercaba a la estación, la señal también comenzaría a aparecer en los lóbulos laterales de la antena , creando más áreas que estaban en blanco por el ruido. A corta distancia, del orden de 100 millas (160 km), toda la pantalla del radar estaría completamente llena de ruido, volviéndola inútil. ^[2]

El concepto de inhibidor era tan poderoso que existían serias preocupaciones de que los radares terrestres quedaran obsoletos. Los radares aerotransportados tenían la ventaja de que podían acercarse a la aeronave que transportaba el inhibidor y, con el tiempo, la enorme potencia de salida de su transmisor "quemaría" el inhibidor. Sin embargo, los interceptores de la época dependían de la dirección terrestre para entrar en el alcance, utilizando radares terrestres. Esto representaba una enorme amenaza para las operaciones de defensa aérea. ^[5]

En el caso de los radares terrestres, la amenaza se resolvió finalmente de dos maneras. La primera fue que los radares se actualizaron para que funcionaran en muchas frecuencias diferentes y cambiaran entre ellas aleatoriamente de pulso a pulso, un concepto que ahora se conoce como agilidad de frecuencia . Algunas de estas frecuencias nunca se usaron en tiempos de paz y eran altamente secretas, con la esperanza de que el bloqueador no las conociera en tiempos de guerra. El carcinotrón aún podía rastrear toda la banda, pero entonces estaría transmitiendo en la misma frecuencia que el radar solo en momentos aleatorios, lo que reduciría su efectividad. La otra solución fue agregar receptores pasivos que triangularan en las transmisiones del carcinotrón, lo que permitía a las estaciones terrestres producir información de seguimiento precisa sobre la ubicación del bloqueador y permitir que fueran atacados. ^[5]

Las estructuras de ondas lentas necesarias deben soportar un campo eléctrico de radiofrecuencia (RF) con un componente longitudinal; las estructuras son periódicas en la dirección del haz y se comportan como filtros de microondas con bandas de paso y bandas de rechazo. Debido a la periodicidad de la geometría, los campos son idénticos de una celda a otra, excepto por un desplazamiento de fase constante Φ. Este desplazamiento de fase, un número puramente real en una banda de paso de una estructura sin pérdidas, varía con la frecuencia. Según el teorema de Floquet (ver teoría de Floquet ), el campo eléctrico de RF E(z,t) puede describirse a una frecuencia angular ω, mediante una suma de una infinidad de "armónicos espaciales" E _n

${\displaystyle E(z,t)=\sum _{n=-\infty }^{+\infty }{E_{n}}e^{j({\omega }t-{k_{n}}z)}}$

donde el número de onda o constante de propagación k _n de cada armónico se expresa como

k _norte = (Φ + 2nπ) / p (-π < Φ < +π)

siendo z la dirección de propagación, p el paso del circuito y n un número entero.

Se muestran dos ejemplos de características de circuitos de ondas lentas, en el diagrama ω-k o de Brillouin :

• en la figura (a), el fundamental n=0 es un armónico espacial hacia adelante (la velocidad de fase v _n = ω/k _n tiene el mismo signo que la velocidad de grupo v _g = dω/dk _n ), la condición de sincronismo para la interacción hacia atrás está en el punto B, intersección de la línea de pendiente v _e - la velocidad del haz - con el primer armónico espacial hacia atrás (n = -1),
• En la figura (b) el fundamental (n=0) está al revés.

Una estructura periódica puede soportar armónicos espaciales tanto hacia adelante como hacia atrás, que no son modos del campo y no pueden existir independientemente, incluso si un haz puede acoplarse a solo uno de ellos.

Como la magnitud de los armónicos espaciales disminuye rápidamente cuando el valor de n es grande, la interacción puede ser significativa solo con el armónico espacial fundamental o el primer armónico espacial.

El carcinotrón de tipo M , u oscilador de onda inversa de tipo M , utiliza un campo eléctrico estático cruzado E y un campo magnético B, similar al magnetrón , para enfocar un haz de electrones que se desplaza perpendicularmente a E y B, a lo largo de un circuito de onda lenta, con una velocidad E/B. La interacción fuerte ocurre cuando la velocidad de fase de un armónico espacial de la onda es igual a la velocidad del electrón. Tanto los componentes E _z como E _y del campo de RF están involucrados en la interacción (E _y paralelo al campo estático E). Los electrones que están en un campo eléctrico E _z en desaceleración de la onda lenta, pierden la energía potencial que tienen en el campo eléctrico estático E y llegan al circuito. El único electrodo es más negativo que el cátodo, para evitar recoger aquellos electrones que han ganado energía al interactuar con el armónico espacial de onda lenta.

El carcinotrón de tipo O , u oscilador de onda inversa de tipo O , utiliza un haz de electrones enfocado longitudinalmente por un campo magnético y un circuito de onda lenta que interactúa con el haz. Un colector recoge el haz en el extremo del tubo.

El BWO es un oscilador sintonizable por voltaje, cuya tasa de sintonización por voltaje está directamente relacionada con las características de propagación del circuito. La oscilación comienza a una frecuencia en la que la onda que se propaga en el circuito está sincronizada con la onda de carga espacial lenta del haz. Intrínsecamente, el BWO es más sensible que otros osciladores a las fluctuaciones externas. Sin embargo, se ha demostrado su capacidad de bloqueo de fase o frecuencia, lo que conduce a un funcionamiento exitoso como oscilador local heterodino.

La sensibilidad frecuencia-voltaje, viene dada por la relación

${\displaystyle \Delta }$f/f = 1/2 [1/(1 + |v _Φ /v _g |)] ( V ₀ /V ₀ )${\displaystyle \Delta }$

La frecuencia de oscilación también es sensible a la corriente del haz (lo que se denomina "impulso de frecuencia"). Las fluctuaciones de corriente a bajas frecuencias se deben principalmente a la alimentación de tensión del ánodo, y la sensibilidad a la tensión del ánodo viene dada por

${\displaystyle \Delta }$f/f = 3/4 [ω _q /ω/(1 + |v _Φ /v _g |)] ( V _a /V _a )${\displaystyle \Delta }$

Esta sensibilidad en comparación con la sensibilidad del voltaje del cátodo, se reduce por la relación ω _q /ω, donde ω _q es la frecuencia angular del plasma; esta relación es del orden de unas pocas veces 10 ⁻² .

Las mediciones realizadas en osciladores osciladores de onda submilimétrica (de Graauw et al., 1978) han demostrado que se podría esperar una relación señal-ruido de 120 dB por MHz en este rango de longitudes de onda. En la detección heterodina utilizando un oscilador oscilador de onda submilimétrica como oscilador local, esta cifra corresponde a una temperatura de ruido añadida por el oscilador de tan solo 1000–3000 K.

• Johnson, HR (1955). Osciladores de ondas retrógradas. Actas del IRE, 43(6), 684–697.
• Ramo S., Whinnery JR, Van Duzer T. - Campos y ondas en la electrónica de comunicaciones (3.ª ed., 1994) John Wiley & Sons
• Kantorowicz G., Palluel P. - Osciladores de onda inversa, en Ondas infrarrojas y milimétricas, vol. 1, cap. 4, K. Button ed., Academic Press 1979
• de Graauw Th., Anderegg M., Fitton B., Bonnefoy R., Gustincic JJ - 3.ª Conferencia Internacional sobre Ondas Submarinas, Universidad Guilford de Surrey (1978)
• Convert G., Yeou T., en Ondas milimétricas y submilimétricas, cap. 4, (1964) Illife Books, Londres

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• Museo virtual de válvulas Thomson CSF CV6124 (Wayback Machine)

Carcinotron